RDS: Transceptor

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Selección de componentes: el transceptor (II)

El módulo transceptor RF24-G de Laipac Tech está formado (ver la imagen del módulo sin la cubierta) por el transceptor nRF2401 de Nordic Semiconductor¹ y por todos los componentes externos necesarios para funcionar; una antena ruteada en la PCB y un cristal de 16MHz.

Para este diseño se ha optado por el módulo de Laipac Tech, no obstante, cualquier módulo formado por el transceptor nRF2401 o nRF2401A/G (por ejemplo los fabricados por RFDigitalWireless) puede ser utilizado sin necesidad de modificar el circuito. La elección del módulo de Laipac Tech es debido a que su proximidad (Barcelona) disminuye los gastos de envío y por tanto el coste final del prototipo.

Características externas

En cuanto a las dimensiones, el módulo es relativamente pequeño: 36,5mm de ancho; 20,5mm de largo y 9mm de alto con el conector (sin él 3.5mm).

Por lo que respecta a la conexión, utiliza un conector macho de 10 pines en 2 filas con 1,27mm de espaciado entre pines. Se utilizará un conector hembra para permitir la conexión/desconexión, en concreto el modelo M50-3000545 de HARWIN (precio).

Descripción del funcionamiento: nRF2401

Características principales
Se trata de un transceptor GFSK para la banda ISM de 2.4GHz con soporte multicanal (125 disponibles)² y con una transmisión de hasta 1Mbps. Dispone también de la capacidad de computar la dirección y el CRC, así como de trabajar en un modo llamado ShockBurst™ el cual disminuye el consumo y libera de carga de procesado al microcontrolador.
Especificaciones eléctricas
- Tensión de alimentación entre 1.9 y 3.6 V.
- Frecuencia de trabajo de 2400MHz hasta 2524MHz² con 1MHz de espaciado entre canales (125 Canales).
- Consumo durante la trasmisión de 13mA@0dBm y 8.8mA@-20dBm de potencia de salida.
- Consumo en modo reposo (stand-by) de 12μA y de 400nA en modo bajo consumo (power down).
- Consumo en la recepción de un solo canal a 1000kbps de 19mA y de dos canales a 1000kbps de 25mA.
- Sensitividad del receptor de -90dBm@250kbps y de -80dBm@1000kbps.
Diagrama de bloques
Por lo que respecta al receptor, se trata de un receptor superheterodino, formado por un amplificador de bajo ruido (LNA), un mezclador y un filtro pasa-banda a la frecuencia intermedia (IF BPF), tal y como se puede observar en la figura. Un receptor superheterodino funciona trasladando la señal recibida, mediante una mezcla con el tono puro y constante de un oscilador, a una frecuencia diferente llamada frecuencia intermedia. En la frecuencia intermedia se realza el filtrado y la selección de la banda deseada antes de su demodulación. Como un mezclador es un dispositivo no lineal, produce armónicos que son filtrados por el filtro pasa-banda.

También podemos observar el modulador en GFSK. La modulación en GFSK consiste en hacer pasar la señal por un filtro Gaussiano (GFSK Filter) y modular la resultante en FSK. Un filtro Gaussiano, aplicado a señales digitales, suaviza las transiciones entre estados (alto y bajo) disminuyendo así el ancho espectral de la señal. En la modulación FSK la frecuencia de la señal transmitida cambia, respecto a la frecuencia de portadora, al ritmo de la información contenida en la señal.

Finalmente, se aprecia también el amplificador de potencia (PA) tras la modulación y el sintetizador de fecuencia (Frequency Synthesiser) que genera la frecuencia de portadora a razón del canal seleccionado.
Modos de operación
El transceptor dispone de diversos modos de operación. Los modos activables mediante el registro de configuración son ShockBurst™, Directo y DuoCeiver™. El resto de modos seleccionables se activan mediante el estado de las líneas de comunicación. Los modos de operación seleccionables son:
- ShockBurst™
  La tecnología ShockBurst™ utiliza un búfer FIFO implementado en el chip donde se cargan, a una velocidad fijada por el microcontrolador (como máximo de 1Mbps), los datos que se desean enviar para, una vez lleno el búfer, trasmitir los datos a la máxima velocidad. Este modo de operación presenta las siguientes ventajas:
  - Se reduce el consumo de corriente.
  - El costo sistema se reduce dado que no se necesita un microcontrolador rápido para controlar el dispositivo.
  - Se reduce el riesgo de colisiones "en el aire" debido al corto tiempo de transmisión.
  La comunicación en el modo ShockBurst™ es la siguiente:
  - Transmisión
    1. Cuando el microcontrolador quiere enviar un dato, pone CE en estado alto. Esto activa el procesador de datos del transceptor.
    2. El microcontrolador carga en el transceptor la dirección y el dato. El microcontrolador fija la velocidad de la comunicación entre ambos, siendo siempre menor de 1Mbps.
    3. El microcontrolador pone a cero la línea CE, esto activa la transmisión.
    4. Una vez activada la transmisión, el transceptor completa el paquete (le añade el preámbulo y el CRC calculado previamente) y trasmite el dato a alta velocidad (250kbps o 1Mbps según la configuración). Una vez transmitido el dato, el dispositivo entra en reposo.
  - Recepción
    1. Para actviar la recepción el microcontrolador debe poner la línea CE a nivel alto.
    2. Tras 200μs de establecimiento, el transceptor monitoriza el aire en busca de comunicaciones entrantes.
    3. Cuando recibe un paquete válido (con la dirección y el CRC correctos), el transceptor deshecha del paquete recibido el preámbulo, la dirección y el CRC.
    4. El transceptor notifica al microcontrolador poniendo la línea DR1 a nivel alto. El microcontrolador puede poner la línea CE a nivel bajo para desactivar el receptor y así disminuir el consumo de corriente.
    5. El microcontrolador leerá del transceptor sólo los datos ya que el resto del paquete recibido ha sido deshechado por el transceptor. Cuando todo el dato ha sido leido por el microcontrolador, el transceptor vuelve a poner la línea DR1 a estado bajo y se prepara para una nueva recepción si CE se mantuvo en estado alto.
- Modo directo
  En el modo directo el transceptor funciona como un dispositivo de radiofrecuencia tradicional. Los datos deben ser transmitidos al transceptor a 1Mbps ±200ppm, o a 250kbps ±200ppm.
  - Transmisión
    1. Cuando el microcontrolador quiere enviar un dato, debe poner la línea CE a nivel alto.
    2. El transceptor activa la transmisión y tras 200μs de establecimiento, los datos modularán a la portadora directamente.
    3. Todas las partes del protocolo deben ser implementadas en por el microcontrolador (preámbulo, dirección y CRC).
  - Recepción
    1. Una vez el transceptor está configuradao y con la línea CE en estado alto, las líneas DATA y CLK1 empezará a conmutar debido al ruido presente en el aire.
    2. Una vez llega un preámbulo válido, las líneas CLK1 y DATA se engancharán a la señal entrante y DATA mostrará el paquete con la misma velocidad con la que fué transmitido.
    3. Para que el receptor pueda regenerar el reloj, el preámbulo debe ser de 8bits conmutando de estado entre alto-bajo, empezando por 0 si el primer bit del dato es 0.
    4. En este modo las señales DR (dato listo) no están disponibles. La validación de la dirección y del CRC debe hacerla el microcontrolador.
- Recepción simultánea por dos canales (DuoCeiver™)
  Tanto trabajando en modo ShockBurst™ como en modo Directo, el transceptor puede operar con dos receptores simultáneos con dos canales paralelos a la máxima tasa binaria. Esto significa que el transceptor puede recibir datos desde dos transmisores a través de una única antena. Además cada receptor puede dirigirse a un microcontrolador independiente mediante sus correspondientes líneas de comunicación.
- Modo de configuración
  En el modo de configuración una palabra de hasta 15bytes se descarga al transceptor. Esto se realiza a través de la interface de 3 líneas (CS,CLK1 y DATA).
- Modo de reposo
  En este modo, parte del oscilador del cristal está activa. El consumo de corriente es dependiente de la frecuencia del cristal. La palabra de configuración se mantiene durante este modo.
- Modo bajo consumo
  En este modo el transceptor se deshabilita para un consumo mínimo de corriente, típicamente menos de 1μA. La palabra de configuración se mantiene durante este modo.
Estructura del paquete
El paquete de datos para los dos modos de operación se divide en cuatro secciones:
- El preámbulo (Preamble).
  Tiene un tamaño de 8bits y, en modo de operación directo, es dependiente del primer bit de los datos y es transparente a los datos de salida. En modo de operación ShockBurst™ se añade automáticamente por lo que se tienen 8 bits extras y en la recepción se deshecha automáticamente.
- La dirección (Address).
  El campo de dirección es necesario en el modo ShockBurst™. Su longitud debe ser entre 8 y 40 bits.
- Dato útil (Payload).
  Es el dato que es transmitido. En el modo ShockBurst™ la longitud máxima de este campo es 256-(tamaño de la dirección+tamaño del CRC). En modo directo la longitud máxima es de 4000bits para 1Mbps (4ms).
- CRC
  El CRC es opcional en el modo ShockBurst™ y no se utiliza en el modo directo. Su longitud puede ser de 8 o de 16 bits. El CRC se deshecha automáticamente tras la recepción.
Configuración
Para configurar el transceptor se carga una palabra de hasta 15bytes que contiene lo necesario para la comunicación. He realizado una hoja de cálculo con Gnumeric la cual describe cada parte de la palabra de configuración y permite generarla fácilmente. El enlace para su descarga se muestra a continuación.

Transceiver.gnumeric

Notas
1: Actualmente (hoy, 20-2-2008) Nordic Semiconductor no comercializa el transceptor nRF2401, le ha introducido pequeñas modificaciones y lo ha llamado nRF2401A (precio). Este nuevo modelo es totalmente compatibe con el anterior.
2: Hay que tener en cuenta que la banda ISM de 2.4GHz en Europa contempla desde 2.4GHz hasta 2.5GHz por lo que el uso de canales superiores al 83 sin licencia en Europa es ilegal.
Referencias: Nordic Semiconductor nRF2401 datasheet.; SIERRA PÉREZ, M.;GALOCHA IRAGÜEN, B.;FERNÁNDEZ JAMBRINA, J.L.;SIERRA CASTAÑER,M. Electrónica de comunicaciones.
Madrid: PEARSON EDUCACIÓN. S.A., 2003. 416 p.
ISBN:978-84-205-3674-3

Selección de componentes: Transceptor

La selección de transceptor es la selección más crítica y difícil ya que es el componente más caro del proyecto y sus especificaciones permiten soluciones muy dispares.

Antes de empezar a mirar componentes y/o módulos, he tenido que decidir el tipo de conexión inalámbrica, es decir la banda en la que opera y uso de un protocolo estándar o no.

En el IEEE 802, comité y grupo de estudio de estándares perteneciente al Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), se definen los niveles más bajos del modelo OSI de las redes de área personal, área local y de área metropolitana. Los estándares referentes a redes inalámbricas se muestran en la gráfica siguiente:

La gráfica muestra en el eje horizontal la tasa de datos en Mbps y en el eje vertical el alcance de la red dividiéndose en redes amplias inalámbricas (WWAN), redes metropolitanas inalámbricas (WMAN), redes de área local inalámbricas (WLAN) y redes de área personal inalámbricas (WPAN).

Atendiendo al gráfico, los estándares más adecuados al proyecto serán los que se encuentren en la esquina inferior izquierda; ya que se precisa de un alcance corto y una baja tasa de datos.

Alternativas

Las alternativas que he barajado son las siguientes:

Bluetooth.
Es la norma (802.15.1 del IEEE) que define un estándar global de comunicación inalámbrica, que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia. ^[fuente] Se trata de una tecnología de radio de corto alcance para la conexión sin hilos de dispositivos móviles.
- Características principales: ^[fuente]
  - Trabaja en la banda ISM (médico-científica internacional) de 2,4 Ghz a 2,48 Ghz.
  - Para evitar interferencias utiliza la técnica FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia), divide la banda en 79 canales (23 en España, Francia y Japón) de longitud 1 MHz y realiza 1600 saltos por segundo. En otro sitio dicen que modula en GFSK con AFH (Salto de frecuencia adaptativo).
  - La capacidad de transmisión varía según versiones del núcleo:
    - Versión 1.1: 723.1 Kbps
    - Versión 1.2: 1 Mbps
    - Versión 2.0 + EDR: 2.1 ~ 3 Mbps
  - La potencia de transmisión se divide en 3 clases de productos:
    - Clase 1: 100 mW / 20 dBm, con un rango de ~100 m.
    - Clase 2: 2.5 mW / 4 dBm, con un rango de ~10 m.
    - Clase 3: 1 mW / 0 dBm, con un rango de ~1 m.
  - Incluye soporte para tres canales de voz, seguridad, disponibilidad actual, bajo consumo de potencia y bajo coste.
  - Utiliza una topografía de red PAN inalámbrica o WPAN (Red de área personal inalámbrica) de hasta 8 dispositivos, llamándose ésta picored (piconet). La unión de picoredes se denomina red dispersa (scatternet).
  - Una picored, está formada por un maestro y hasta 7 esclavos. El maestro fija una secuencia de 1600 saltos de frecuencia por segundo y el resto de dispositivos se sincronizan desde el punto de vista del tiempo y de la secuencia de saltos entre canales. Cada unidad dispone de un reloj de sistema interno que determina la temporización y la secuencia de saltos que debe seguir el transceptor.
  - El protocolo es apropiado para voz y datos (enlaces ACL y SCO).
- Ventajas:
  - Es muy utilizado y va implementado en multitud de dispositivos como ordenadores, teléfonos móviles y PDA.
  - Su uso proporciona una ámplia compatibilidad para comunicaciones en una red WPAN y, por tanto, elimina gran parte del proceso de diseño.
  - Se comercializan módulos que ya tienen implementado el estándar, un amplificador de RF y una antena por lo que el tiempo de diseño disminuye.
- Inconvenientes:
  - Al tratarse de un estándar debe ser ámpliamente compatible por lo que muchas de las partes que forman el paquete de datos son simplemente para asegurar la compatibilidad.
- Web oficial: Bluetooth
ZigBee.
Es un protocolo RF, basado en el estándar IEEE 802.15.4, específicamente desarrollado para obtener un bajo consumo, con una tasa de datos baja y para controlar aplicaciones mediante un gran número de nodos (hasta 4090) distribuidos.^[fuente]
- Características principales: ^[fuente]
  - Trabaja en la banda ISM (médico-científica internacional) de 2,4 Ghz a 2.48 Ghz con 16 canales de 5Mhz de separación. El estándar también permite operar en la banda Europea de 868Mhz (canal único) y en la banda Estadounidense de 915Mhz (10 canales con separación de 2Mhz).
  - Modula en DSSS (Espectro ensanchado por secuencia directa).
  - La capacidad de transmisión varía según la banda en la que trabaje (ninguna de estas bandas precisa de licencia): ^[fuente]
    - Europea (868,3MHz): 20 Kbps. Canal nº 0.
    - Americana (902-928 MHz): 40 Kbps. Canal nº 1-10.
    - ISM (2405-2480 MHz): 250 Kbps. Canal nº 11-26.
  - Por lo que he observado, tiene diversas potencias de transmisióon, como en el Bluetooth. Por ejemplo, hay un módulo que transmite en un rango variable entre -10dBm y 20dBm. (BUSCAR)
  - Utiliza una topografía de red PAN inalámbrica o WPAN (Red de área personal inalámbrica) de multitud de dispositivos.
- Ventajas:
  - Su consumo es menor que el del Bluetooth y está más próximo a las necesidades del proyecto.
  - Muchos fabricantes venden transceptores con el protocolo implementado o proporcionan una implementación, p.e. Microchip, Texas Instruments o Atmel.
- Inconvenientes:
  - La topología de red PAN es demasiado compleja para el propósito del proyecto.
  - Está teniendo problemas de interferencias con las redes WLAN. (Ojo con las fuentes que son de la competencia) ^{[fuente 1, fuente 2]}
- Web oficial: ZigBee Alliance
Z-Wave.
Es un protocolo inalámbrico específicamente desarrollado para aplicaciones que precisan de un bajo consumo y no requieren de un gran ancho de banda ni altas tasas de datos. Por sus características, se utiliza principalmente en domótica y sensado.^[fuente]
- Características principales: ^[fuente]
  - Trabaja en la banda ISM (médico-científica internacional) de 900 Mhz; en Europa en la banda de 868.42Mhz (canal único) y en Estados unidos en la banda de 908.42Mhz.
  - Modula en GFSK (Desplazamiento de frecuencia gausiana).
  - La capacidad de transmisión es de 9,600 bit/s o 40 Kbit/s. ^[fuente]
  - La potencia de transmisión, por ejemplo este módulo, es variable entre -20dBm y 0dBm. (BUSCAR)
  - Utiliza esta topografía de red.
- Ventajas:
  - Dispone de módulos RF con un microcontrolador integrado (i8051).
- Inconvenientes:
  - Depende mucho del lugar de comercialización debido a la banda ISM que emplea.
  - No está muy documentado.
  - No está muy extendido.
- Web oficial: Z-Wave Alliance
Protocolo propio.
Se trata de un protocolo adaptado específicamente al proyecto, es decir, diseñado por y para las necesidades del sistema. Debo diseñar todo lo correspondiente al protocolo (el stack).
- Ventajas:^[fuente]
  - Al tratarse de un protocolo hecho específicamente para el sistema, cubrirá sus necesidades de forma óptima. Normalmente al utilizar estándares, muchas de sus características no se utilizan y suponen un tiempo de proceso y un consumo innecesario.
- Inconvenientes:
  - No ser un estándar implica, entre otras cosas, que sólo podrá comunicarse entre los dispositivos del sistema. Esto es un inconveniente ya que, si se utiliza un estándar, cualquier dispositivo que implemente dicho estándar podrá acceder a la comunicación.
  - El desarrollo del proyecto se complica y se aumenta el tiempo de diseño.

Conclusiones

De las alternativas, se observa que:

la opción de Bluetooth es la menos óptima para el proyecto ya que el protocolo está orientado a aplicaciones que precisan una comunicación contínua y rápida (voz y datos), por lo cual, la pila del protocolo (stack) dispone de diversas capas que no son de utilidad para el proyecto desperdiciándose así tiempo de proceso y, por tanto, consumo (ver la definición de paquete^[enlace]). Tampoco es energéticamente eficiente, para el proyecto, respecto a su forma de comunicarse;[[en concreto el método para evitar interferencias de Salto de Frecuencias (FH) consiste en que el maestro fija una secuencia pseudoaleatoria de saltos de canal que el resto de miembros de la red debe seguir para que se produzca la comunicación, además esta secuencia se vuelve a fijar tras cada comunicación]] y que consiste en que el maestro debe estar sincronizado permanentemente con los esclavos para fijar, como mínimo, las pautas de los 1600 saltos por segundo de canal.
la opción de ZigBee es mejor que el bluetooth dado que tiene los mismos beneficios de ser un estándar con la ventaja adicional de que su protocolo está orientado a aplicaciones de bajo consumo. No obstante, el protocolo es demasiado complejo para el proyecto ya que está pensado para la implementación de redes ad-Hoc, incluye opciones de enrutamiento y es capaz de desarrollar redes complejas. Esta complejidad en el protocolo hace de la opción del ZigBee poco eficiente para el proyecto con el incremento en el consumo que esto conlleva.
La opción del protocolo propio es la solución de compromiso ya que el protocolo lo define el sistema por lo que cubre sus necesidades de forma óptima. De hecho, para la aplicación, el no disponer de la principal ventaja del ZigBee, ser un estandar, no supone ningún problema; en su caso supondría simplemente un valor añadido. También cabe destacar que actualmente el protocolo ZigBee no está implementado en prácticamente ningún dispositivo de consumo pese a los intentos de implementar un transceptor combinado Bluetooth y ZigBee.

Módulos y componentes

Zigbee http://www.telegesis.com/comersus/store/comersus_listItems.asp?idCategory=50 http://www.telegesis.com/zigbee/buy.htm

RDS