Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника
Павлова Т. А.
Алматинский университет
энергетики и святи, Казахстан
Разработка математического моделирования
модуляции в радиометке при использовании технологи Zigbee:
классификация областей применения и основной показатель качества
1. Классификация областей
применения технологии Zigbee в радиометке.
Области
применения Zigbee можно классифицировать по двум направлениям: 1) радиометка
закреплена на неподвижном или движущемся объекте, 2) объекты, не требующие повышенной
надежности передачи информации и объекты, требующие повышенной надежности передачи информации.
Примером
неподвижных объектов может служить [1, 2, 3, 4]: схема «Умный дом» на базе беспроводных
сетей датчиков, для промышленных приложений систем контроля различных
процессов, персональный, домашний и больничный уход, сбор медицинских данных,
строительной автоматизации, мобильные службы и т.д.
Примером
подвижных объектов может служить [1, 2, 3, 4]: охранные датчики, охранные
комплексы, передача информации от движущихся и вращающихся объектов (конвейеров,
роботов), игрушки.
К объектам, требующим повышенной надежности передачи
информации можно отнести те, которые связаны с охраной и безопасностью жизнедеятельности людей, а так же к высокоточному
промышленному производству на базе робототехники.
Вывод: классификация Объектов, на которых можно
установить радиометки Zigbee позволит правильно подойти к вопросу выбора вида модуляции,
применяемых в стандарте IEEE802.15.4.
2. Модели модуляции в радиометке
при использовании технологии Zigbee.
Физический
уровень PHY стандарта IEEE 802.15.4, на который опирается Zigbee, реализующийся
в микросхеме приемопередатчика (трансивера) и использует широкополосную
модуляцию с прямым расширением спектра, которая управляется цифровым потоком в
модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) используется на частотах
868/915 МГц и офсетная квадратичная фазовая манипуляция со смещением (O-QPSK)
передающая по 2 бита в символе используется на частоте 2,4 ГГц [3]. Тип модуляции определяет помехоустойчивость системы.
Аналитические
выражения, фазовые созвездия и временные диаграммы для двоичной фазовой манипуляции BPSK и офсетной квадратурной фазовой манипуляции
со смещением О-QPSK представлены в [6, 8, 9].
2.1 Показатели качества приема радиосигналов.
Основным
показателем качества в цифровых каналах
связи считается вероятность появления ошибки на бит, в зависимости от отношения
сигнал/шум. При рассмотрении функционирования технологии Zigbee в радиометке, необходимо учитывать,
что прием сигнала может быть когерентным и некогерентным [7].
2.1.1 Когерентное
детектирование BPSK
Эта модуляция
является самой помехоустойчивой из всех видов ФМн, то есть при использовании
бинарной ФМн вероятность ошибки при приёме данных наименьшая, поскольку этот
вид модуляции обладает максимальной эквивалентной энергией сигналов (рисунок
4.25 [5]) .
Вероятность ошибки на бит (англ. BER — Bit Error Rate) при бинарной ФМн в канале
с аддитивным белым гауссовским
шумом
(АБГШ) может быть вычислена по формуле:
Функция Q(x) табулирована
и называется функцией ошибок.
Так как на
символ приходится 1 бит, то по этой же формуле вычисляется и вероятность ошибки
на символ [7].
Вероятность
символьной ошибки PS = PB [5].
2.1.2 Некогерентное детектирование BPSK
Систему BPSK с противоположными
сигналами, отличающуюся сдвигом фаз на p, при некогерентном приеме применять
нельзя, так как при неизвестной начальной фазе такие сигналы неразличимы [7].
Поэтому в случае некогерентного детектирования используется дифференциальная
двоичная фазовая манипуляция.
2.1.3 Когерентное детектирование O-QPSK
При когерентном
детектировании вероятность ошибки на бит для О-QPSK такая же, как и для BPSK[5].:
В среде с
замиранием вследствие многолучевого распространения, использование когерентного
детектора затруднено, что приводит к неудовлетворительной работе в некогерентных
системах.
При кодировании O-QPSK кодом Грея [6], можно показать [5], что при
использовании кода Грея вероятность ошибки будет следующей: PB =PS /log24 » PS/2. (для PS ≤ 1). Поэтому, так как в символе два
бита, то значение символьной ошибки возрастает:
При высоком
отношении сигнал/шум (это необходимо для реальных ОQPSK систем) вероятность
символьной ошибки может быть оценена приблизительно по следующей формуле [9]:
То есть PS » 2 PB [6].
2.1.4 Некогерентное детектирование O-QPSK
Как и при BPSK,
существует проблема неопределённости начальной фазы в приемнике. Поэтому при
некогерентном детектировании О-QPSK с
дифференциальным кодированием на практике используется чаще [9].
Вследствие
эффекта Доплера при связи с движущимися объектами необходимо применять схему приемников с неоптимальной
фильтрацией до и после детектора. При
этом потребуется в DfT раз
большая мощность сигнала, чем в схеме оптимального некогерентного приема [7].
На основании
вышерассмотренного, можно построить алгоритм применения модуляции в радиометке
при использовании технологии Zigbee:
Неподвижные
объекты Подвижные объекты Объекты, не требующие повышенной надежности передачи
информации Объекты, требующие повышенной надежности передачи
информации Когерентный прием Некогерентный
прием OQPSK BPSK DPSK
Рисунок 1
Вывод: Двоичная фазовая модуляция
BPSK как система с противоположными сигналами, обеспечивает максимальную для
двоичной системы потенциальную помехоустойчивость при когерентном
детектировании. Что оправдывает ее применение в технологии Zigbee. В случае некогерентного детектирования
рекомендуется использовать дифференциальную двоичную фазовую манипуляцию.
При когерентном
приеме передача сигналов BPSK и O-QPSK имеет одинаковую вероятность
битовой ошибки, но вероятность символьной ошибки при O-QPSK в 2 раза больше, чем при BPSK. Более того, при применении
помехоустойчивого кодирования кодом Грея, можно снизить вероятность ошибки системы
O-QPSK.
Различные области применения требуют различного уровня помехоустойчивости
технологии
Zigbee в зависимости от параметра соотношения сигнал/шум. В
связи с этим в зависимости от радиометки (прием сигналов когерентный или
некогерентный) возможно применение либо двоичной фазовой манипуляции (BPSK), либо офсетной квадратичной фазовой манипуляции со
смещением (O-QPSK).
Исходя из этих соображений выбирают и математическую модель модуляции в радиометке при
использовании технологии Zigbee.
Заключение
Выбор модели модуляции в случае когерентного
приема по основному показателю качества дает преимущества BPSK. При некогерентном приеме, когда
ОQPSK подвержена межсимвольным помехам, работа системы может быть
неудовлетворительной. В этом случае рекомендуется применять ДОФМ,
не предусмотренную стандартом IEEE 802.15.4. При связи с
движущимися объектами желательно
применять схему приемников с неоптимальной
фильтрацией.
Литература:
1. http://www.jennic.ru/zigbee.html.
2.
Соколов М. Воробьев О. Реализация беспроводных
сетей на основе технологии ZigBee стандарта IEEE 802.15.4 ,
КоммерсантЪ, приложение ТЕЛЕКОМ. 2005. №2.
3. www.zigbee.org.
4. www.instat.com.
5.
Скляр Бернард Цифровая связь Теоретические основы и практическое применение.
Издательский дом "Вильямс" 2003
6. http://ru.wikipedia.org/wiki Фазовая модуляция
7.
Теория электрической
связи. Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: “Радио и связь“, 1999.