warning!

Úloha blbuvzdornosti v konstrukci robotů 3.

Dnes tedy probereme bezdrátovou blbuvzdornost. Z hlediska softwaru, který obsluhuje komunikační linku je prakticky jedno jestli jsou moduly spojeny drátem, nebo rádiem, taky třeba ethernetový síťový protokol vychází z radiového protokolu vyvinutého Hawajskou univerzitou zvaném příznačně ALOHA (ahoj v hawajštině). Stejně jako u drátových sběrnic musíte čekat až je pásmo prázdné, označit zprávu kontrolním součtem, poslat zprávu a čekat na odpověď. Přijímající modul musí zprávu přijmout zkontrolovat kontrolní součet a potvrdit příjem – žádný rozdíl.

V čem je ale principiální rozdíl je hardware vysílače. První vysílací schemata měly amplitudovou modulaci – amplituda VF signálu nese nízkofrekvenční informací – nevýhodu amplitudové modulace je malá odolnost proti rušení. A pokud jdeme do technických detailů tak nutnost používat „analogové“ vf zesilovače ve třídě A, které spotřebují mnoho proudu. Proto se začala používat frekvenční modulace, která se v analogovém vysílání používá dodnes – ta má dvě výhody – jednak stačí aby užitečný signál byl o pouhé 3dB silnější než rušení a tím jej zcela překryje a navíc se používají „spínací“ vf zesilovače ve třídě C, které produkují de facto pravoúhlý signál a až filtry před anténou z něj udělají sinusovku, což spotřebuje asi polovinu proudu než AM.

Nicméně od II. světové války je známá slabina frekvenční modulace – stejně snadno jako užitečný signál překryje rušení – může sám být snadno překryt rušivým vysíláním nepřítele. Toho si všimla německy mluvící pražská Židovka a herečka ve filmech I. republiky Heda Lamarr a vymyslela, co se stalo základem moderní bezdrátové komunikace – Frequency hopping spread spectrum.
Princip je jednoduchý – vysílač několik milisekund vysílá na jedné frekvenci a pak odskočí na jinou a zase jinou a zase jinou… Pokud se protivník snaží signál rušit musí dodržet stejnou sekvenci skoků (což se mu nejspíš nepodaří). Pokud ruší jen na jediné frekvenci v přijímaném signálu se to projeví neznatelným výpadkem na kratičkou chvilku. FHSS dodnes používá Bluetooth, který skáče 1600x za sekundu, nebo GSM.

Direct Sequence Spread Spectrum

Pak je ještě druhý způsob jak signál zabezpečit a to je Direct sequence spread spectrum, které používají třeba WIFI nebo Zig-Bee. Princip je v tom, že místo abychom vysílali digitální modulací takovou rychlostí jakou potřebujeme tak digitální signál pomocí XOR zašifrujeme „pseudonáhodným“ binárním signálem s rychlostí 10x – 100x větší (viz. obrázek) – tím se nám šířka pásma signálu roztáhne taky 10-100x při zpětném příjmu pak musíme signál synchronizovat a opět XORem se stejnou sekvencí převést na původní data.
Rušící signály se projevují jako pomalý nesynchronní signál, který se v přijímači XORováním s rychlou pseudonáhodnou sekvencí změní v rychlý pseudonáhodný signál, který se beze škod na datech odfiltruje analogovými filtry na výstupu přijímače.

U obou systémů spread spectra pokud se dva signály vysílající na stejné frekvenci liší pseudonáhodnou sekvencí změny frekvence nebo šifrovaných dat tak se vzájemně neruší. To je důvod proč i na sídlišti, kde každý má WIFI router, má vůbec smysl kupovat si vlastní.

Samozřejmě jste pochopili – pokud jsem v drátové komunikaci tvrdil, že diferenciální signalizace je nutnost, zde tvrdím spread spectrum modulace je nutnost. Proč tedy na soutěžích ani spread spectrum datové přenosy nefungují (nebo fungují špatně)? Je to proto, že u těchto modulací existuje jenom omezený počet kanálů, nebo omezený počet pseudonáhodných kódů, takže nakonec přece jenom „mnoho psů zajícova smrt“ – pokud máte v éteru desítky WIFI routerů na malé ploše nakonec dekódovat došlý signál je velice složité, chybovost je vysoká, žádostí o opakování paketu je mnoho, tím kazím pásmo ostatním, kteří se taky nedomluví a kazí pásmo mně….
Příklad z Robotour 2009 – WIFI pro organizátory jelo oficiálně na 54 Mbit/sec a reálná rychlost spojení byla ve stovkách kilobitů – to se dá, pokud šnečím tempem stahujete mail, ale pokud na takové komunikaci závisí řízení robota v reálném čase – je to smrtelné.

Takže na testování v klidném parku u vás doma si pořiďte libovolnou technologii se spread spectrem, ale na soutěže – drát je drát – přes to, bohužel, nejede vlak.

Nezmínili jsme některé exotické bezdrátové komunikace, proto telegraficky – koupit v LIDLU vysílačky a krmit je AFSK – existuje radioamatérská technologie packet radia – lze použít ale maximální rychlost je 1200 bit/sec (teoreticky i více ale s upravenými vysílačkami).

Datová pojítka „na otvírání garáží“ na 499,92 nebo 866 MHz – se dají velmi jednoduše připojit k mikrokontroléru ale je to vysílání na jediné frekvenci – navíc v Evropě určené ke kratičkým „relacím“ (kliknutí k zamknutí auta) – poslech těchto frekvencí je mojí zábavou – divili byste se jak je tam živo a pravděpodobnost, že nikde na soutěži se nenajde druhý „vynálezce“, který vám komunikaci neznemožní…

Osobně pro testování doma používám systém „dálkového ovládání“ na televizi – robot vysílá data blikající LEDkou odrazem o strop na který „kouká“ přijímač dálkového ovládání typu SFH 5110 – dá se použít pro 2400 a někdy i pro 4800 bit/sec – opět pravděpodobnost že by IR přenos nepoužíval na soutěži i někdo jiný – nepatrná…

Dnešní oblíbená rada pro blondýny zní – nedívejte se jenom do zrcadla, ale i do občanky, kde je datum narození, pokud toto datum už bylo dávno – zapojte rozum a nejdivočejší outfity nechte dceři – není nic směšnějšího než zmalovaná osoba typu „zezadu lyceum zepředu muzeum“.

Článek byl s laskavým svolením autora převzat z jeho blogu.