Il y a six mois, un client m'a intéressé à transmettre des données radio pour l'Internet des objets dans notre version domestique, NB-FI. Évidemment, idéologiquement, il s'agit d'un système de transmission de données à basse vitesse SigFox (Ultra-Narrow Band, UNB). Il y a des différences dans les détails, qui peuvent sans aucun doute être appelées améliorations. Par exemple, un codage à tolérance de bruit est introduit dans NB-FI, ce qui peut augmenter considérablement la probabilité de remise de messages. Une bande de fréquences plus étroite a également un effet positif sur la complexité de l'équipement de la station de base. Tout cela est décrit en détail dans le projet de norme, qui est en cours d'élaboration pour adoption dans la Fédération de Russie cette année, 2019. Mais il y a, comme il me semble, une lacune importante dans le projet de norme.
Ici, nous faisons une hypothèse afin de simplifier et de réduire la quantité de matériel: nous ne considérerons que le canal de communication de l'appareil à la station de base. Néanmoins, sa considération est la plus importante, car le système a été conçu pour transmettre des messages courts à partir d'un grand nombre de capteurs.
Rappelons tout d'abord les principales caractéristiques du signal SigFox. Le taux de modulation est de 100 bod., Le type de modulation est la modulation de phase relative - OFM (DBPSK). Tous les appareils terminaux transmettent de manière asynchrone sur trois canaux de fréquence aléatoire dans la bande de 192 kHz. Les canaux sont attribués après 100 Hz. Autrement dit, il y en a beaucoup dans la bande de travail - environ 2000 pièces. En raison de ce grand nombre de canaux, il est possible de réduire à une probabilité acceptable de collision de deux paquets ou plus provenant d'émetteurs asynchrones différents.
SigFox publie un document (
Sigfox RF & Protocol Specifications ) décrivant son système afin que les fabricants de terminaux puissent vérifier qu'ils répondent aux exigences du système. Selon des rumeurs, ils travaillent même avec l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) pour adopter une norme industrielle en Europe.
Étonnamment, nos développeurs et fabricants ont pris le même chemin progressif! Le Comité technique de normalisation 194 «Systèmes cyber-physiques» a un document PNST (norme nationale préliminaire de la Fédération de Russie) «Internet des objets. Protocole d'échange pour l'Internet des objets dans le spectre à bande étroite (NB-Fi). » L'organisation a un
site Web . Je n'ai pas pu trouver le document ici, mais il y a des
nouvelles sur le document, où il est disponible sur le lien "Download Protocol".
Le document nous apprend les principales caractéristiques du système de transmission: vitesse de modulation - 50 bauds, type de modulation - OFM (DBPSK). Tous les appareils terminaux transmettent de manière asynchrone sur deux canaux de fréquences aléatoires dans la bande de 51,2 kHz. Les canaux sont attribués après 50 Hz. Autrement dit, il y a exactement 1024 pièces dans la bande de fonctionnement, ce qui est très approprié pour la construction économique d'une banque de filtres. Dans ce cas, tous les messages sont encodés par l'encodeur ZigZag à un taux de 1/2.
Il y a tout, même une description des niveaux supérieurs du système. Mais je n'ai pas pu trouver les exigences pour le spectre du signal radio. Ce paramètre m'a paru très important, car la propagation de la puissance de rayonnement vers les canaux voisins devrait fortement augmenter la probabilité de collision des paquets de différents terminaux.
Dans le document SigFox, les exigences pour les paramètres spectraux sont déterminées par le masque spectral à la page 7.
Afin de ne pas ennuyer le lecteur avec une théorie ennuyeuse, passons à la pratique amusante! Prenez l'émetteur NB-Fi de l'un de nos développeurs nationaux de NB-Fi. Ne demandez pas lequel, je ne dirai pas. Et considérez le spectre du signal en temps réel.
Vidéo et
un de plus .
Les deux vidéos ont une bande d'analyse de spectre de 100 kHz et un signal de générateur de test est installé au centre de la bande. Il est nécessaire pour que le lecteur puisse vérifier l'aptitude au service de réception radio de l'analyseur de spectre et obtenir des idées approximatives sur ses caractéristiques. Le spectre du générateur n'est pas très propre, ce qui peut être vu comme des composantes harmoniques divergeant de la fréquence centrale. Dans la deuxième vidéo, le niveau du signal de test est augmenté pour démontrer la linéarité des effets observés.
Le signal de l'émetteur NB-Fi apparaît d'abord à gauche du centre, puis à droite. Ces deux messages identiques sont envoyés pour réduire la probabilité de leur collision.
À partir de la vidéo, nous pouvons détecter la présence de salves dans le signal NB-Fi, étendant la bande de signal et créant une défaillance à la fréquence principale.
Voici à quoi ressemblent une image spectrale instantanée et un graphique d'accumulation maximale (Max Hold).
Qualitativement, on peut affirmer que, même avec la moitié de la bande passante du signal NB-Fi, il ne satisfait pas au masque spectral SigFox. Quantitativement, dans la bande + -2500 Hz de l'harmonique fondamentale, le spectre ne s'estompe même pas de 30 dB. Si un masque était donné dans le projet de notre norme, nous pourrions le comparer avec lui. En attendant, nous pouvons seulement dire que nos développeurs ne se sont pas souciés des caractéristiques spectrales.
Pour confirmer la thèse, nous considérons un signal dans le domaine temporel.
Nous voyons que les transitions de phase entre les intervalles de symboles sont si brusques qu'elles ne peuvent que conduire à des éclats aussi forts dans le spectre d'amplitude.
Il convient de noter que SigFox est particulièrement préoccupé par les caractéristiques spectrales des signaux des dispositifs terminaux, qui sont formés à l'aide d'une variété de contrôleurs de nombreux fabricants. Dans la spécification à la page 13 de l'annexe A.1 Implémenter la modulation TX - DBPSK, ils fournissent différentes recommandations à cet effet.
Très probablement, le problème est l'absence dans la partie radio des puces de contrôleur utilisées d'un taux de modulation aussi bas. Tout le monde est obligé d'utiliser la répétition des symboles d'information à un taux de modulation plus élevé. Dans ce cas, bien entendu, les caractéristiques du filtre de lissage intégré (mise en forme d'impulsion) à l'entrée du modulateur ne correspondront pas à la faible vitesse de modulation souhaitée.
De toute évidence, en présence de telles salves du spectre, la probabilité de distorsion des autres messages pendant la transmission augmentera. Étant donné que NB-Fi sera bientôt la norme pour l'ensemble de la Fédération de Russie, des interférences seront créées non seulement par ses systèmes de réception, mais également par les systèmes de réception d'autres opérateurs.
Les développeurs nationaux ne sont pas du tout préoccupés par ce problème?
Ou essaient-ils de nous cacher quelque chose?
Peut-être que les fabricants ont déjà une solution à ce problème?
Les questions sont tout à fait légitimes, la norme est d'État.
Je demande aux entreprises développant des appareils NB-Fi. fournir des émetteurs pour les mesures ou publier leurs résultats.
Néanmoins, je voudrais exprimer ma gratitude aux entreprises qui ont partagé une partie de leurs technologies dans le cadre de l'élaboration de la norme dans le but de développer l'industrie nationale de l'Internet des objets. Parallèlement à l'ouverture, la concurrence y entrera, ce qui créera les conditions d'une percée dans le développement. Cela permettra aux petites entreprises d'entrer sur le marché, ce qui est une bonne nouvelle.
Pour une analyse plus détaillée, l'enregistrement des échantillons de signaux de l'émetteur NB-Fi peut être téléchargé
ici . Fréquence d'échantillonnage - 48 kHz, format - 16 bits I / Q.