Comunicazione wireless - ASK, OOK, FSK, PLL e antenne

La richiesta di sistemi di trasmissione via radio dei dati da incorporare in prodotti di elettronica di consumo è in continua crescita: elettrodomestici "intelligenti", misura e controllo dei consumi energetici, allarmi senza fili, dispositivi indossabili, serrature elettroniche, e (con requisito di sicurezza) la misura in tempo reale della pressione degli pneumatici. Contano soluzioni semplici, affidabili, a basso costo; molti µC hanno periferiche dedicate alla trasmissione radio. Per le automobili e gli standard nazionali contano le frequenze, la potenza emessa e la sicurezza dei dati (codifica).

Modulazioni digitali

• ASK (Amplitude Shift Keying): l'ampiezza di una portantesegnale ad alta frequenza di cui si varia ampiezza o frequenza per trasportare l'informazione (per esempio sinusoidale) è modulata tra due livelli, uno per il simbolo "0" e uno per "1". Quasi abbandonata nei sistemi moderni, ma importante nelle applicazioni RF dei µC per la semplicità di trasmettitore e ricevitore.
• OOK (On/Off Keying): caso particolare dell'ASKAmplitude Shift Keying: modulazione digitale di ampiezza in cui un livello è zero: presenza di segnale = un simbolo, assenza = l'altro.
• FSK (Frequency Shift Keying): si modula tra due frequenze della portante, una per ciascun simbolo.

Trasmettitori integrati. Un PLL regola la frequenza della portante: è un sottomultiplo intero $N$ della frequenza di un oscillatore al quarzo; un amplificatore ($\mathrm{LNA}$, Low Noise Amplifier) pilota l'antenna; l'adattamento tra l'impedenza di uscita e l'antenna ($Z_{Ant}$) si ottiene con reti esterne di elementi reattivi. OOK: il µC inibisce l'LNALow Noise Amplifier: amplificatore a basso rumore che pilota l'antenna ogni volta che deve trasmettere uno zero. FSK: una capacità interna è messa in parallelo al quarzocristallo che fornisce una frequenza di oscillazione molto stabile con un interruttore comandato dal µC, e sposta la frequenza di oscillazione.

PLL: principio e modello

Il PLL è un circuito a retroazione: l'uscita del comparatore di fasecircuito la cui uscita dipende dalla differenza di fase tra due segnali, filtrata da un passa-basso, comanda un oscillatore controllato in tensione (VCOVoltage Controlled Oscillator: oscillatore la cui frequenza dipende da una tensione di controllo) la cui frequenza è proporzionale alla tensione di ingresso; l'uscita del VCO (eventualmente divisa per $N$) è riportata al comparatore, che la confronta con il riferimento. Se l'anello è stabile il sistema oscilla alla frequenza imposta dal segnale di ingresso (o a un suo multiplo $N$) con una relazione di fase ben definita e costante. La stabilità dipende dal progetto del filtro passa-basso.

• Comparatore di fase digitale (XOR): l'uscita è alta quando i due segnali hanno livelli logici diversi; il valor medio è proporzionale alla differenza di fase.
• Comparatore a tre stati (a macchina a stati): a ogni fronte dell'ingresso l'uscita avanza da GND verso $V_{CC}$ passando per lo stato ad alta impedenza; ogni fronte dell'uscita arretra di un passo. In condizioni di errore di fase nullo l'uscita è in alta impedenza: si genera una corrente di carica sul filtro solo se c'è errore.
• VCO: così veloce che si trascura il suo ritardo; guadagno dalla caratteristica statica: $k_{VCO}=\dfrac{f_{max}-f_{min}}{V_{max}-V_{min}}$ [Hz/V]. Esempio: da 1 MHz a 2 MHz con 0-5 V: $k_{VCO}=200$ kHz/V.
• Modello dinamico (piccolo segnale): l'errore di frequenza si traduce in errore di fase tramite $\Delta\phi(s)=\frac{2\pi}s\Delta f(s)$ (la fase è l'integrale della frequenza); il filtro passa-basso (per esempio $R_{PB}$, $C_{PB}$) fissa la velocità di risposta e la stabilità. Il sistema ha errore nullo, a regime, sia per la frequenza sia per la fase. Una realizzazione digitale con timer è in PLL digitale con i timerUn PLL (anello ad aggancio di fase) tiene un segnale generato a frequenza e fase in relazione costante con un riferimento. In un µC si realizza con un timer in capture (misura il periodo del riferimento) e uno in compare (genera gli impulsi). L'errore di fase $\Delta\phi$ (intervallo tra due eventi) va portato a 0 con un regolatore sul periodo $P$ degli impulsi: compensare solo l'errore istantaneo non basta, serve un PI: $P_{int}(k)=P_{int}(k-1)+\frac{\Delta\phi(k)}N$, $P(k+1)=P_{int}(k)+\frac{\Delta\phi(k)}N$ (con $N$ = rapporto delle frequenze), che è dead-beat (errore nullo in un passo, polo in $z=0$). In pratica si riducono i guadagni per robustezza.PLL digitale con i timer →.

Trasmissione analogica FM e ricevitori

Per alcune applicazioni la trasmissione è ancora analogica, con modulazione di frequenza (FMmodulazione di frequenza): si varia in modo proporzionale al segnale utile la tensione di ingresso del VCO, ottenendo un'uscita la cui frequenza trasporta l'informazione (modulatore con il circuito integrato CD4046). Il ricevitore richiede un'antenna e un circuito di demodulazione: per FSKFrequency Shift Keying: modulazione digitale di frequenza/FM il componente fondamentale è ancora un PLL (demodulatore FM con CD4046circuito integrato che contiene un VCO e comparatori di fase per realizzare un PLL). Per ASK/OOK la ricostruzione è semplice: il segnale d'antenna amplificato (con guadagno logaritmico: amplifica molto i segnali deboli) passa a un rivelatore di piccocircuito che segue il massimo del segnale, usato per demodulare l'ampiezza (anche un raddrizzatore a singola semionda) e si confronta con una soglia con un comparatore a isteresisoglia di commutazione diversa nei due versi, che evita commutazioni ripetute per il rumore (la soglia è la media del segnale ricevuto); per avere un buon SNR bisogna adattare guadagno o soglia al livello del segnale.

Antenne

Le antenne tipiche sono a microstrisciaantenna realizzata con una pista del circuito stampato, realizzate direttamente sul circuito stampato con piste di geometria opportuna. Il progetto non è banale: oltre alla frequenza di risonanza occorre massimizzare la potenza trasferita dall'LNA all'antenna (adattamento di impedenza).

• Loop: irradia soprattutto in direzione ortogonale al piano; lunghezza totale di norma $\frac\lambda{10}$ o meno ($\lambda=c/f$: a 300 MHz $\lambda=1$ m, quindi il loop è lungo circa 10 cm). Modello: resistenza di radiazione $R_{rad}$ (legata alla potenza irradiata), resistenza di perdita $R_{loss}$ (effetto Joule, domina l'effetto pellela corrente ad alta frequenza scorre solo vicino alla superficie del conduttore e ne aumenta la resistenza) e induttanza $L$. Le capacità di compensazione $C_1,C_2$ riducono la componente induttiva e adattano il carico $Z_L$ all'impedenza di uscita dell'amplificatore $Z_O$ (resistiva-induttiva con induttanza molto bassa; collettore aperto con pull-up all'alimentazione).
• Patch: richiede un piano di massa sotto, quindi irradia solo nel semispazio superiore. La lunghezza $L$ fissa la frequenza di risonanza $f_r\simeq\dfrac{c}{2L\sqrt{\varepsilon_r}}$; la larghezza $W$ influisce sulla banda (molto bassa) e sull'impedenza di ingresso. Esempio: $L=3$ cm, $\varepsilon_r=4$: $f_r=\frac{3\cdot10^8}{2\cdot0{,}03\cdot2}=2{,}5$ GHz.

Standard wireless

• IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.4 (ZigBee). ZigBeestandard IEEE 802.15.4 per reti di sensori a basso consumo è pensato per applicazioni a basso consumo (reti di sensori senza fili): comunicazioni a corto raggio (30 m al chiuso, fino a 100 m all'aperto) tipicamente a 2,4 GHz, che penetra bene pareti e soffitti; velocità bassa (250 kbit/s), adatta a comunicazioni sporadiche, di bassa complessità e durata; applicazioni in domotica, reti di sensori distribuite, controllo industriale. Rete meshrete a maglia, in cui i nodi possono raggiungersi per più percorsi attraverso i router: nodi terminali a stella attorno a un router o a un coordinatore (molti router, un solo coordinatore): il coordinatore può usare più percorsi e raggiungere anche nodi non direttamente visibili, con grande stabilità e robustezza. Prima di trasmettere si verifica lo stato del canale e in caso di canale occupato si ritarda (il duty-cycle di trasmissione è basso): si riduce l'interferenza e si semplifica il software. Modulazione più sofisticata (tipicamente O-QPSK). Molti costruttori offrono µC con moduli integrati per nodi ZigBee.

Errori comuni

• Confondere ASK e OOKOn/Off Keying: ASK in cui un livello è zero: l'OOK è l'ASK con un livello a zero.
• Dimenticare che il PLL è un anello a retroazione e quindi può essere instabile.
• Calcolare la lunghezza di un'antenna loop con $\lambda$ invece che con $\lambda/10$.
• Dire che ZigBee è ad alta velocità: è a basso consumo e bassa velocità.