Главная » Хабрахабр » Интернет вещей по-русски. Спектральные параметры радио-сигнала

Интернет вещей по-русски. Спектральные параметры радио-сигнала

image

Очевидно, что идеологически это система низкоскоростной передачи данных (Ultra-Narrow Band, UNB) SigFox. Полгода назад один заказчик заинтересовал меня передачей данных по радио для интернета вещей в нашей отечественной версии — NB-FI. Например, в NB-FI введено помехоустойчивое кодирование, которое позволяет значительно повысить вероятность доставки сообщения. В деталях есть отличия, которые несомненно можно назвать улучшениями. Все это подробно описано в черновике стандарта, который готовится к принятию в РФ в этом, 2019 году. Более узкая полоса частот также положительно сказывается на сложности оборудования базовой станции. Тем не менее, именно его рассмотрение является наиболее значимым, так как система и была спроектирована для передачи коротких сообщений от огромного числа датчиков. Но в проекте стандарта есть один, как мне кажется существенный, пробел.
Здесь сделаем одно допущение с целью упрощения и снижения объема материала: будем рассматривать только канал связи от устройства к базовой станции.

Скорость модуляции — 100 Бод., вид модуляции — относительная фазовая модуляция — ОФМ (DBPSK). Для начала вспомним основные характеристики сигнала SigFox. Каналы назначены через 100 Гц. Все оконечные устройства выходят на передачу асинхронно на трех случайных частотных каналах в пределах полосы 192 кГц. За счет этого большого количества каналов и удается снизить до приемлемой вероятность столкновения двух или более пакетов от разных асинхронных передатчиков. То есть, их в полосе работы огромное множество — около 2000 штук.

По слухам, они даже работают с ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) с целью принятия отраслевого стандарта в Европе. SigFox публикует документ (Sigfox RF & Protocol Specifications) с описанием своей системы, чтобы производители оконечных устройств могли проверить их на соответствие требованиям системы.

У Технического Комитета по стандартизации 194 «Кибер-физические системы» есть в разработке документ ПНСТ (предварительный национальный стандарт РФ) «Интернет вещей. Что удивительно, наши разработчики и производители пошли по тому же прогрессивному пути! У организации есть сайт. Протокол обмена для интернета вещей в узкополосном спектре (NB-Fi)». Обнаружить документ там мне не удалось, но есть новость о документе, где он доступен по ссылке «Скачать Протокол».

Все оконечные устройства выходят на передачу асинхронно на двух случайных частотных каналах в пределах полосы 51. Из документа мы узнаем об основных характеристиках системы передачи: скорость модуляции — 50 Бод, вид модуляции — ОФМ (DBPSK). Каналы назначены через 50 Гц. 2 кГц. При этом все сообщения кодируются кодером ZigZag со скоростью 1/2. То есть, их в полосе работы ровно 1024 штуки, что очень подходит для экономичного построения гребенки фильтров.

Но я не смог найти требований к спектру радио-сигнала. Здесь есть все, даже описание верхних уровней системы. Этот параметр показался мне очень важным, так как распространение мощности излучения на соседние каналы должно резко увеличивать вероятность столкновения пакетов разных оконечных устройств.

В документе SigFox требования к спектральным параметрам определены спектральной маской на странице 7.

image

Возьмем передатчик NB-Fi одного из наших отечественных разработчиков NB-Fi. Чтобы не утомлять читателя скучной теорией, перейдем к веселой практике! И рассмотрим спектр сигнала в реальном времени. Не спрашивайте какого, не скажу.

Видео и еще одно.

Он нужен, чтобы читатель мог убедиться в исправности радио-приемного тракта анализатора спектра и получить примерные представления о его характеристиках. На обоих видео установлена полоса анализа спектра 100 кГц, в центр полосы установлен сигнал тестового генератора. На втором видео уровень тестового сигнала увеличен для демонстрации линейности наблюдаемых эффектов. Спектр генератора не очень чистый, что можно видеть, как расходящиеся от центральной частоты гармонические составляющие.

Это два одинаковых сообщения передаются для уменьшения вероятности их столкновения. Сигнал передатчика NB-Fi сначала появляется слева от центрального, потом справа.

По видео можно констатировать наличие в сигнале NB-Fi всплесков, расширяющих полосу сигнала и создающих провал на основной частоте.

Вот как выглядит мгновенная картинка спектра и график с накоплением максимума (Max Hold).

image

Количественно, в полосе +-2500 Гц от основной гармоники спектр не затухает даже на 30 дБ. Качественно можно утверждать, что, даже при вдвое меньшей полосе сигнала NB-Fi, он не удовлетворяет спектральной маске SigFox. А пока можно только сказать, что наши разработчики плевать хотели на спектральные характеристики. Если бы в проекте нашего стандарта была приведена какая-то маска, то можно было бы сравнить с ней.

Для подтверждения тезиса рассмотрим сигнал во временной области.

image

Мы видим, что переходы фазы между интервалами символов настолько резкие, что они не могут не приводить к столь сильным всплескам в амплитудном спектре.

В спецификации на странице 13 в приложении A. Следует отметить, что SigFox особо озабочен спектральными характеристиками сигналов оконечных устройств, которые формируются с помощь разнообразных контроллеров множества производителей. 1 Implement the TX Modulation — DBPSK они приводят разные рекомендации по этому поводу.

Все вынуждены использовать повторение информационных символов на более большой скорости модуляции. Скорее всего, проблема в отсутствии в радио-части используемых чипов контроллеров столь низкой скорости модуляции. При этом, естественно, характеристики встроенного сглаживающего фильтра (pulse shaping) на входе модулятора не будут соответствовать нужной низкой скорости модуляции.

Так как NB-Fi скоро будет стандартом для всей РФ, то помехи будут создаваться не только своим приемным системам, но и приемным системам других операторов. Очевидно, что, при наличии таких всплесков спектра, вероятность искажения других сообщений при передаче будет увеличиваться.

Отечественные разработчики совсем не озабочены этим вопросом?
Или они пытаются что-то от нас утаить?
Может быть у производителей уже есть решение этой проблемы?
Вопросы вполне правомерные, стандарт-то государственный.

предоставить передатчики для измерений или опубликовать результаты своих. Я прошу компании, разрабатывающие устройства NB-Fi.

Вместе с открытостью в нее придет конкуренция, что создаст предпосылки для рывка в развитии. Тем не менее, хочется выразить признательность компаниям, которые поделились частью своих технологий в рамках подготовки стандарта с целью развития отечественной отрасли интернета вещей. Это позволит выйти на рынок и мелким предприятиям, что не может не радовать.

Частота дискретизации — 48кГц, формат — 16-ти битные I/Q. Для более подробного анализа, запись отсчетов сигнала передатчика NB-Fi можно скачать здесь.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

[Из песочницы] Создание системы расширения на библиотеке Qt

Плагины(Расширения) Расширения это совместно используемая динамическая библиотека предназначения для загрузки в процессе исполнения основного приложения, которая обязательно должна реализовывать хотя бы один специальный интерфейс. Расширения делятся на два типа: Для Qt Для собственных приложений Разберём как создать свою систему расширений ...

[Перевод] Python Testing с pytest. Builtin Fixtures, Глава 4

Вернуться Дальше Например, помимо обработки временных файлов, pytest включает встроенные фикстуры для доступа к параметрам командной строки, связи между сеансами тестирования, проверки выходных потоков, изменения переменных среды и опроса предупреждений. Встроенные фикстуры, которые поставляются с pytest, могут помочь вам сделать ...