Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2011
Geoff Graham
Задумывались ли вы над тем, что происходит в радиочастотном диапазоне 2.4 ГГц, в котором работают Wi-Fi и ISM устройства. На какой канал лучше настроить свой беспроводной маршрутизатор? Почему вы получаете такие низкие качественные показатели своей беспроводной сети? Соседские беспроводные устройства работают на той же частоте?
Просканировать Wi-Fi и ISM диапазон поможет описываемое устройство, кроме того, оно представит информацию в виде диаграмм, по которым вы сможете оценить уровень сигнала на каждой частоте диапазона. Сканер подключается к компьютеру (ноутбуку) по интерфейсу USB 2.0, на котором установлено специальное программное обеспечение, с помощью которого можно построить спектр или сохранить данные для дальнейшей обработки.
В устройстве используются два основных электронных компонента: радиомодуль компании Cypress и PIC микроконтроллер от компании Microchip.
ISM диапазон 2.4 ГГц
ISM (Industrial, Scientific and Medical band) – диапазон частот для промышленной, научной и медицинской аппаратуры. Частотный диапазон ISM 2.4 ГГц (2.4…2.4835 ГГц) обеспечивает полосу пропускания 83.5 МГц. В этом диапазоне действуют микроволновые печи, беспроводные телефоны некоторых типов, Bluetooth устройства, беспроводные клавиатуры, игрушки, а также версии беспроводных локальных сетей от IEEE, которые формально обозначаются как 802.11 b/g/n. Чтобы не создавать помех другим пользователям, устройства должны быть относительно маломощными, и их действие ограничивается небольшими расстояниями. Работа в диапазонах ISM не требует лицензирования.
Поскольку вы не можете наблюдать, что происходит в этом диапазоне, вы не можете объяснить странное поведение вашего беспроводного устройства. К примеру, беспроводная клавиатура начинает пропускать символы. А происходить это может из-за того, что кто-то по близости пользуется беспроводным телефоном.
Больше всего страдают Wi-Fi сети. Они требуют широкой полосы пропускания, постоянно передают данные и чувствительны к помехам. Вот почему, не всегда удается наладить беспроводные сети с приличным рабочим расстоянием и приходится отказаться от их использования.
Сканер предоставит визуальные данные, характеризующие активность во всем диапазоне, и подскажет наилучшие частоты для использования. При использовании сканера совместно с ноутбуком вы можете определить виновника «засорения» эфира.
Как работает сканер
Функциональная схема сканера исключительно проста (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Функциональная схема сканера. |
Радиомодуль – это компактная плата на базе системы-на-кристалле CYWUSB6935, представляющая собой приемопередатчик диапазона 2.4 ГГц с низким энергопотреблением (Рисунок 2). Управляется модуль микроконтроллером по интерфейсу SPI. Управление чипом означает запись данных в определенные регистры для установки различных параметров (например, рабочей частоты) и чтение данных из регистров. Чип специально разработан для работы в диапазоне 2.4 ГГц, и поддерживает режим прослушивания частот, которые уже используются другими устройствами. Эта возможность позволяет микроконтроллеру перед передачей выбрать свободную частоту.
 |
|
| Рисунок 2. | Радиомодуль на базе системы-на-кристалле CYWUSB6935. |
Радиомодуль выдает уровень сигнала как число от 0 до 30. «0» означает отсутствие сигнала. Мы используем эту возможность в нашем проекте – микроконтроллер передает модулю значение частоты и команду измерения уровня сигнала на этой частоте. Затем, после выполнения запроса, микроконтроллер указывает переход на следующую частоту. И так операции повторяются, пока не будет пройден весь ISM диапазон.
Как вы заметили, мы не используем функции передачи/приема данных, которые в практических приложениях являются основными.
В нашем проекте мы используем микроконтроллер PIC18F2550 со встроенным интерфейсом USB 2.0. Микроконтроллер устанавливает радиомодуль на частоту, получает от него данные об уровне сигнала, сохраняет их во внутренней памяти и устанавливает следующую частоту. После прохождения всего ISM диапазона 2.4 ГГц микроконтроллер отправляет данные в компьютер, где пользовательская программа отображает результирующий спектр.
Принципиальная схема
 |
|
| Рисунок 3. | Принципиальная схема сканера. |
Принципиальная схема сканера изображена на Рисунке 3. Поскольку микроконтроллер интегрирует в себе все необходимое для USB, в том числе стабилизатор напряжения 3.3 В, буфер памяти и приемопередатчик, все что нужно сделать нам – это подключить USB кабель к выводам 15 и 16 микроконтроллера и конденсатор к выводу 14 для фильтрации напряжения 3.3 В от встроенного стабилизатора.
Тактирование микроконтроллера осуществляется от кварцевого резонатора 20 МГц с двумя нагрузочными конденсаторами 15 пФ. Внутренний делитель микроконтроллера делит тактовую частоту на 5, чтобы получить значение частоты 4 МГц, которая будет использоваться для синхронизации системы ФАПЧ, работающей на частоте 48 МГц. Это основная тактовая частота, на которой работают USB интерфейс и ядро.
Разъем внутрисхемного программирования позволяет перепрограммировать микроконтроллер без извлечения из устройства, и его можно не устанавливать. Резистор номиналом 10 кОм, подключенный к выводу 1 микроконтроллера, подтягивает вывод MCLR (сброс) к высокому уровню.
Питание сканер получает от интерфейса USB, т.к. схема потребляет незначительный ток. Для питания радиомодуля необходимо напряжение от 2.7 до 3.6 В. Напряжение порядка 3.0 В мы можем получить от шины 5 В, включив последовательно 3 диода типа IN4001 (на каждом диоде падение напряжения около 0.7 В). Это, конечно же, самый простой и дешевый, но вполне надежный способ.
CYWUSB6935 имеет на входах защитные диоды. Это означает, что для управления можно использовать 5-вольтовые логические сигналы микроконтроллера, включив последовательные резисторы для ограничения тока. Мы выбрали резисторы с сопротивлением 3.3 кОм.
Часть 2 - Программное обеспечение
