Procesory a WLAN to nie sú iba počítače

Tento článok rozoberá podrobnejšie technickú problematiku bezdrÖtových sietí LAN WLAN (WLAN Wireless Local Area Networ...


Tento článok rozoberá podrobnejšie technickú problematiku bezdrÖtových sietí
LAN WLAN (WLAN Wireless Local Area Network), konkrétne oblasť využitia
moderných špeciálnych integrovaných obvodov (IO) pre realizáciu rádiových častí
sieťových dátových systémov. Je volným pokračovaním článku "Ako na bezdrÖtové
siete LAN" publikovaného v CW 3/99.
Frekvenčné pásma,
vysielacie výkony a základ-né technické parametre
Pre WLAN sú všeobecne pridelené frekvenčné pásma pre priemyselné, vedecké a
zdravotnícke účely pod označením ISM (ISM Industrial, Scientific and Medical
band). Jedná sa o nasledujúce pásma:
902-928 MHz,
2 400-2 483,5 MHz,
5 150-5 350 MHz a 5 725 až
5 875 MHz (v súčasnosti sa pripravujú štandardy).
Od všeobecného 7vrstvového modelu sietí ISO/OSI typu Ethernet sa WLAN odlišujú
v spojovej a fyzickej vrstve. Tak, ako ktorýkoívek protokol 802.x, aj 802.11 sa
skladá zo spojovej a fyzickej vrstvy. Štandard 802.11 navyše definuje vrstvu
MAC (Medium Access Control), ktorá je vložená medzi časť spojovej vrstvy 802.2
a fyzickú vrstvu. Vrstva MAC priamo nadväzuje na jednu z troch možných typov
fyzickej vrstvy (FH/SS Frequency Hopping Spread Spectrum, DSSS Direct Sequence
Spread Spectrum a IR InfraRed) všetky umožňujú prenosovú rýchlosť 1 Mb/s alebo
2 Mb/s).
Použité modulačné metódy FH/SS a DSSS majú tieto hlavné výhody:
nízka pravdepodobnosť neoprávneného odpočúvania,
vysokú odolnosť proti rušeniu,
dovoíujú súčasnú prevádzku veíkého množstva rozdielnych rádiových sietí.
Utajenie vedenej komunikácie a relatívne lacná ochrana prevádzky má okrem
vojenských oblastí význam aj v komerčnej sfére.
Podía dostupných informácií je hlavné úsilie vývojových týmov vedúcich firiem v
tejto oblasti zamerané na frekvenčné pásmo 2,4 GHz a moduláciu DSSS. Aj keď
zariadenie pre tento typ modulácie je oproti FH/SS obvodovo podstatne
zložitejšie, získané výhody opodstatňujú tieto tendencie. To je dÖvod
smerovania článku do oblasti čipových sád pre pásmo 2,4 GHz a moduláciu DSSS. Z
pohíadu návrhu a zložitosti aplikácií zákazníckych čipových sád sú pri cenovom
aj konštrukčnom porovnaní takmer rovnaké východzie vlastnosti pre použitie
obvodov DSSS alebo FH/SS. To sa ale nedá povedať o prevádzkových parametroch,
kde systémy s DSSS majú výrazné prednosti.
Obvodové riešenie vysielača a prijímača
Pri návrhu integrovaných obvodov pre rádiový vysielač a prijímač sú kladené
nasledujúce základné požiadavky:
vyrobiť rádiový prístupový bod (RAP Radio Access Point) vo veíkosti počítačovej
karty typu PCMCIA vrátane rozhraní a antény,
minimálny počet IO (vysoký stupeň integrácie) a ďalších súčiastok,
nízke napájacie napätie (2,7 V-5,5 V),
minimálny prúdový odber, viacej stupňov úsporného režimu,
prijímač typu superhet využívajúci diverzitný príjem,
plne počítačovo programovateíné nastavenie parametrov a rozhraní,
voliteíná prenosová rýchlosť,
adaptívna zmena vysielacieho výkonu,
minimálna cena.
Na trhu je v súčasnosti viacej výrobcov čipových sád pre RAP sietí WLAN, preto
ďalej popisované riešenie je možné brať ako jeden z možných dosiahnutých
výsledkov.
Dosiahnuté parametre rádiovej časti
Pri konštrukcii stanice RAP využitím uvedenej čipovej sady PRISM firmy Harris
je možné dosiahnuť kvalitné parametre. Niektoré z nich sú pre oboznámenie
uvedené ďalej.
Pracovné prostredie, frekvenčná stabilita
Aj keď je predpoklad, že veía systémov bude pracovať so zariadeniami typu
laptop alebo ručnými zariadeniami, špecifikácia požaduje správnu činnosť pri
teplotách okolia od -30 C do +70 ?C. Pritom stabilita vysielanej frekvencie
musí byť v tolerancii do 25 x 10-6. Napájacie napätie mÖže byť v rozsahu 2,7 V
až 5,5 V.
Časy pre prepnutie z príjmu na vysielanie a naopak
Základná doba prepnutia z vysielania na príjem je kratšia ako 10 s vrátane
zostupnej hrany vysielaného výkonu. Vysielací výkon klesne z 90 % na 10 % v
dobe kratšej ako 2 s. Tento čas je meraný na rádiovej strane zariadenia WLAN od
okamihu vyslania posledného bitu do okamihu bezchybného prijatia prijímaného
signálu.
Doba pre prepnutie na vysielanie je menšia alebo rovná 5 s. Do tohto intervalu
je započítaný čas na nábeh plného vysielacieho výkonu. Vysielací výkon vzrastie
z 10 % na 90 % za dobu kratšiu ako 2 s.
Prúdová spotreba a úsporné režimy
Pri napájacom napätí 5 V je maximálny prúdový odber pri vysielaní 488 mA,
priemerný (bez využitia úsporných režimov) 298 mA a s ich využitím 60 mA.
Citlivosť prijímača
Citlivosť prijímača je -93 dBm pre prenosovú rýchlosť 1 Mb/s (DBPSK) a -93 dBm
pre prenosovú rýchlosť 2 Mb/s (DQPSK). Citlivosť je udávaná pre maximálnu
chybovosť FER (Frame Error Rate) 8 x 10-2 pre pakety dížky 1 024 bytov.
Pre maximálnu vstupnú hodnotu signálu o hodnote -4 dBm (merané rovnakým
spÖsobom), je chybovosť rámcov maximálne 8 x 10-2 pre paket dížky 1 024 bytov.
Predpokladaný dosah so všesmerovou anténou je v budove do 100 m a vo voínom
prostredí do 1 300 m.
Procesor riadenia MAC
Zariadenie RAP okrem popísanej čipovej sady rádiovej časti obsahuje procesor
riadenia vrstvy MAC (Media Access Controller). Tento procesor je riešený ako
samostatný IO. Blokové zapojenie procesoru v RAP je na obr. na str. 4. Ako
príklad je uvedený procesor firmy AMD typu Am79C930, ktorý:
podporuje štandard IEEE 802.11,
podporuje protokol MAC,
umožňuje využitie pri kartách PCMCIA vrátane plnej kompatibility,
umožňuje využitie na zbernice PC typu ISA s plnou podporou Plug and Play,
pre riadenie MAC umožňuje pripojiť až 128 KB pamäti SRAM,
umožňuje pripojiť až 128 KB pamäti Flash pre riadiace kódy MAC, konfiguračné
parametre PCMCIA a ISA,
obsahuje interfejs pre riadenie rádiových staníc v prevádzke FH/SS, DSSS a pre
infračervené rozhranie,
umožňuje riadiť výber antén pri diverzitnom príjme,
obsahuje obvody pre riadenie režimu pre úsporu energie,
špeciálne tenké puzdro zo 144 vývodmi umožňuje využiť IO v aplikáciách
kritických na priestor (PCMCIA).
BezdrÖtové rozšírenie dosahu rozhrania USB
Okrem využitia RAP pre vytvorenie sietí WLAN je možné ich využiť aj na iné,
vhodné aplikácie. Jednou z možností je opäť výpočtová technika, ale
problematika pripojenia periférnych zariadení.
Zo zvyšovaním počtu periférií bolo nutné riešiť ich pripojenie k počítaču. V
roku 1995 bola vypracovaná nová špecifikácia rozhrania pod označením USB
(Universal Serial Bus). USB má nasledujúce základné vlastnosti:
prenosová rýchlosť 1,5 Mb/s (12 Mb/s),
127 pripojiteíných zariadení k jednému počítaču,
hviezdicová topológia zbernice,
maximálna dížka kábla je 5 metrov,
periférie je možné pripájať pri činnosti počítača,
4žilový prepojovací kábel (jeden pár napájanie 5 V, druhý pár je pre prenos
dát).
Pre malý počet periférií vybavených rozhraním USB a nedostupnosť ovládačov
jednotlivých zariadení sa doposiaí zbernica USB výrazne nepresadila. Nástup
operačných systémov Windows 95 a Windows 98, súčasne s výrobou základných
dosiek počítačov, ktoré obsahujú radič USB, tento stav mení.
Pre zvýšenie dosahu rozhrania USB je možné využiť bezdrÖtový prenos. SpÖsob
riešenia je popísaný v ďalšej časti článku.
Riešenie prúdového odberu zariadení s USB
Pri využití rozhrania USB je treba brať do úvahy jeho technické parametre.
DvojdrÖtový kábel prenáša v jednom páre jednosmerné napätie 5 V, ktoré je možné
využiť pre napájanie obvodov pripojených periférií s celkovým maximálnym
odberom 100 mA. Z hubu USB je možné odoberať až 500 mA.
Maximálna prúdová spotreba úplnej čipovej sady PRISM je do 500 mA pri
vysielaní. Priemerný odber je závislý od použitia úsporných módov. Pri návrhu
bezdrÖtového systému je treba tieto parametre brať do úvahy a v prípade potreby
využiť pre napájane RAP samostatný sieťový, prípadne batériový jednocestný
zdroj.
Pripojenie RAP k rozhraniu USB
Pre priame pripojenie periférie k počítaču postačuje iba patričný prepojovací
kábel, USB radiče sú prepojené priamo. Pre zvýšenie počtu pripojitelných
zariadený sa používa rozbočovač hub. Prenos dát je realizovaný protokolom USB
po paketoch (maximálna dížka 1 024 bitov).
Pri využití bezdrÖtového zariadenia pre prenos dát je potrebné okrem paketov
protokolu USB prenášať dáta potrebné pre riadenie a zabezpečenie rádiového
prenosu medzi bodmi RAP. Hlavička PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) sa
pripoji (Physical Layer Convergence Protocol) k paketu dát protokolu USB.
Každý paket sa skladá z 2 hlavných častí. Pre potreby smerovania a zabezpečenia
rádiového prenosu je časť nazvaná záhlavie PLCP a druhou časťou sú konkrétne
údaje rozhrania USB. V časti údajov USB sú okrem samotných užívateíských dát
adresné a zabezpečovacie údaje.
Príklad bezdrÖtového prenosu stereofónneho signálu do reproduktorových sústav
Pri riešení problémov s rozvodom signálov pri multimediálnych aplikáciách
(mikrofóny, iné zdroje signálu, reproduktory) napríklad v rozíahlých
priestoroch, je možné aplikovať vyššie uvedené rádiové prostriedky pre
bezdrÖtový prenos dát (digitalizovaného signálu). Ako príklad bude uvedený
bezdrÖtový prenos stereofónneho signálu do reproduktorových sústav z počítača
typu PC. Predpokladom je využitie aktívnych reproduktorových sústav.
Riešenie bude realizované v nasledujúcich krokoch:
technické požiadavky,
vhodnosť použitia rádiového prenosu s rozšíreným spektrom,
výber frekvenčného pásma,
parametre rádiového spoja,
zhrnutie výsledkov.
Technické požiadavky
požadovaná prenosová rýchlosť 2 Mb/s (1,408 Mb/s plus dáta zabezpečujúce
prenos),
dosah 30 metrov v prostredí budov,
požadovaná maximálna bitová chybovosť 10-6.
Vhodnosť použitia rádiového prenosu s rozšíreným spektrom
Táto modulačná metóda ponúka prenos dát s ochranou proti interferenciám, pri
nižšom nutnom vysielacom výkone ako klasické modulačné metódy. Preto je vhodná
do prostredia s vysokou intenzitou vyžarovania elektromagnetickej energie.
Výhodou je tiež existencia uvedených čipových sád, ktoré výrazne zjednodušujú
návrh a znižujú výslednú cenu zariadenia (samozrejme je dÖležitý aj stupeň
sériovosti výroby zariadenia). Výber frekvenčného pásma
K dispozícii je z pásiem 900 MHz, 2,4 GHz a 5 GHz v súčasnosti vhodné iba pásmo
2 400-2 483,5 MHz. Sú k tomu 2 hlavné dÖvody. Predovšetkým existencia
štandardov a kompletných čipových sád pre konštrukciu, ale hlavne právne
podmienky, ktoré uvedené frekvenčné pásmo a druh prevádzky umožňujú.
Parametre rádiového spoja
Pri prenosovej rýchlosti 2 Mb/s je šírka pásma 22 MHz. Je to z dÖvodu pomeru
použitej čipovej rýchlosti k prenosovej rýchlosti 11 : 1. Šumové číslo
prijímača použitej čipovej sady PRISM je 7 dB. Pri použitej frekvencii je útlm
spÖsobený šírením na vzdialenosť 30 m približne 80 dB. Pri výpočte vyplýva, že
požadovaný dosah bude zabezpečený. Navyše použitím modulácie s rozšíreným
spektrom DSSS je systémový zisk procesu 10 dB, ktorý je potenciálnou rezervou v
prípade rušenia od rÖznych zdrojov, ako napríklad mikrovlnné rúry, zváračky,
tyristorové regulátory a prípadné iné, rádioelektronické zdroje
vysokofrekvenčných signálov.
Zhrnutie výsledkov
Pre zadaný príklad uvedené riešenie spíňa požadované parametre. Použitím
protokolu CSMA/AC (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) je možné
využiť v jednom frekvenčnom kanále viacej podobných rádiových sietí (3 až 5)
pri ich trvalej prevádzke. Programovateíný frekvenčný syntezátor umožňuje
naprogramovať viacej frekvenčných kanálov v povolenom frekvenčnom pásme. Je tak
možné využiť súčasne približne 10 až 20 rádiových sietí v jednom priestore bez
ich vzájomného rušenia. Tento počet sietí platí pre prípad prenosovej rýchlosti
2 Mb/s.
V prípade polovičnej prenosovej rýchlosti 1 Mb/s je polovičné aj použité
frekvenčné pásmo, z čoho vyplýva možný dvojnásobný počet rádiových sietí.
Vzhíadom na to, že použitá čipová sada je programovateíná na prenosové
rýchlosti od 250 kb/s (táto prenosová rýchlosť by tiež postačovala pre uvedenú
aplikáciu prenosu nízkofrekvenčných signálov do reproduktorových sústav),
rozširuje sa tak výrazne počet možných sietí v jednom priestore bez ich
vzájomného rušenia.
Záver
Zariadenie WLAN rádiová stanica DSSS by pred niekoíkými rokmi bolo možné
realizovať ako rozmerné zariadenia s vysokou energetickou spotrebou. Výsledným
efektom by bola aj z finančných dÖvodov jeho praktická nepoužiteínosť. Cieíom
článku nebolo iba popísať základné možnosti a funkciu tohto prvku sietí WLAN,
ale predovšetkým poukázať na širokú oblasť aplikácií moderných IO.
Aj keď riešená problematika je možno úzko špecifická, ukazuje na prienik
procesorovej techniky do rÖznych oblastí íudskej činnosti. S tým súvisia aj
požiadavky na programátorov, ktorí musia okrem klasického programovania ovládať
aj uvedenú odbornú problematiku (v tomto prípade spracovanie signálov a
rádioelektroniku).
8 3116 / pen

Distribuovaná sieť s interfejsom USB
Typickým príkladom využitia WLAN štandardu IEEE802.11 sú periférie, ako
napríklad tlačiareň, skener a reproduktory prepojené k PC bezdrÖtovo.
Zariadenia RAP sú použité ako prepoje medzi PC a perifériami a obvody RAP
pracujú ako "virtuálne" koncové zariadenia, ktoré priebežne ukladajú dáta pre
periférie, vrátane adries koncových zariadení a čísiel portov. RAP pri tvorbe
rámca IEEE802.11 začleňuje do paketu okrem rámca USB aj smerovacie údaje pre
prenos v distribuovanej sieti.

Čipová sada PRISM pre WLAN s moduláciou DSSS
Procesor DSSS a modem v základnom pásme
V tomto IO je dátový signál modulovaný digitálnym kódom (pseudonáhodnou
postupnosťou PNP), ktorého kódová rýchlosť je oveía vyššia ako bitová rýchlosť
informačného signálu.
IO procesoru DSSS je možné naprogramovať na prenosové rýchlosti 250 kb/s až 4
Mb/s pri použití 11 až 16prvkového rozprestieracieho kódu (IEEE802.11 určuje
použitie 11prvkového Bakerovho kódu). Takto je možné získať systémový zisk
procesu 10 až 12 dB.
Na výstupe vysielacej a na vstupe prijímacej časti procesoru DSSS sú samostatne
prenášané v základnom pásme súfázové a kvadratúrné zložky signálu os I
(súfázová zložka) a Q (kvadratúrna zložka).
Kvadratúrny medzifrekvenčný modem
V prijímacej aj vysielacej ceste sú zosilňovače pre zabezpečenie požadovaných
úrovní modulátora a demodulátora. Z demodulátora sú vyvedené zložky I a Q v
základnom pásme do IO procesoru DSSS a modemu v základnom pásme, kde je
vykonávaná detekcia prijímaného signálu. Obdobne, ale v opačnom smere, je
riešená vysielacia cesta. Funkcie IO sú zabezpečené pre hodnoty medzifrekvencie
od 10 MHz do 400 MHz.
IO obsahuje tiež obvody pre digitálne riadenie vonkajších filtrov pre
priepustnú šírku pásma od 2,2 MHz do 17,6 MHz v závislosti od použitej
prenosovej rýchlosti.
Dvojitý frekvenčný syntezátor
Je tvorený jedným IO, ktorý obsahuje 2 miestne oscilátory riadené napätím. V
aplikáciach WLAN je prvý oscilátor preladiteíný v pásme 2 132 MHz až 2 204 MHz
po 1 MHz a druhý oscilátor má konštantnú výstupnú frekvenciu 560 MHz. IO je
využiteíný aj pre iné aplikácie, potom je možné využiť pri prvom oscilátore
frekvencie 0,5 GHz až 2,5 GHz a pri druhom 45 MHz až 600 MHz. Presnosť
oscilátorov je daná presnosťou vonkajšieho referenčného kryštálového oscilátora
5 MHz až 44 MHz.
Konvertor
IO konvertor integruje v sebe viacej funkcií. Hlavnou z nich je konverzia
frekvencií v prijímacej a vysielacej ceste. V rádiovej stanici je použitá
hodnota medzifrekvencie 280 MHz. Na výstupe konvertoru vysielacej časti je na
strane výkonového vysokofrekvenčného zosilňovača pracovná frekvencia 2 400 MHz
2 483,5 MHz. V prijímacej časti dochádza k opačnej konver-zii frekvencie z 2
400 MHz 2 483,5 MHz na 280 MHz.
Výkonový vysokofrekvenčný zosilňovač VVFZ
Lineárny vysokofrekvenčný výkonový zosilňovač je umiestnený do jedného puzdra
IO spolu s prepínačom signálu z antény do IO vysielača alebo IO vstupného
nízkošumového zosilňovača prijímača LNA. Prepínač signálu vysielanie/príjem je
elektronický, napäťovo riadený (0 V alebo +5 V).
Napäťovo riadený trojstupňový zosilňovač je vhodný na zosilnenie signálov s
lineárnou moduláciou, ako napríklad QPSK alebo BPSK. Do samostatného IO sú
tieto časti umiestnené z dÖvodu zníženia vplyvu signálu o relatívne vysokej
úrovni a tiež zvýšenej teploty výkonových zosilňovacích prvkov. Maximálna
výstupná úroveň je 24 dBm.
Vstupný nízkošumový zosilňovač LNA
Vstupný nízkošumový zosilňovač LNA (Low Noise Amplifier) je tvorený
integrovaným obvodom vyrobeným technológiou GaAs MESFET. Typický zisk tohoto
stupňa je 14 dB, pri šumovom čísle 1,9 dB. Elektronicky je možné riadiť zisk v
rozmedzí 6 dB. Pre nastavenie pracovných bodov LNA nie sú potrebné žiadne
vonkajšie ladiace prvky.

Čipová sada PRISM firmy Harris
Spoločné charakteristiky integrovaných obvodov
napájacie napätie 2,7 V až 5,5 V
rozsah frekvencií od 2,4 GHz do 2,4835 GHz s krokom 1 MHz (je možné meniť podía
oblastí a štandardov)
pracovná teplota -40 C až +85 ?C
obsahujú funkcie zníženia spotreby v pasívnom móde
minimum vonkajších prvkov
IO je možné využiť aj samostatne pre iné aplikácie









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.