středa 1. října 2008

RC soupravy – něco o frekvencích, modulacích a podobných záhadách


Protože mě řada přátel (poté co zjistili, že jsem vzděláním mimo jiné radiotechnik) neustále bombarduje dotazy na téma „Jak to tedy je s tím přechodem na 2,4GHz? Proč mi nefunguje SPCM modulace na 2,4 GHz?“, rozhodl jsem napsat malý článek, který snad objasní všechny tyto záhadné pojmy i úplnému laikovi v oboru radiokomunikací.  

 rcsoupravy.jpg

Pokusím se vynechat všechny odborné pojmy a vše popíšu hezky česky – jak se říká „po lopatě“, proto prosím odbornou veřejnost, aby mne ušetřila výtek za „můj“ případný český překlad odborného výrazu. Nebudu uvádět žádné své názory či myšlenky, protože účel tohoto článku vidím právě v tom, aby každý pochopil problematiku a sám si dokázal udělat správný názor - neboli vyčistit si hlavu od různých smyšlených skazek, které se bohužel mezi modeláři tak snadno a rychle šíří a ještě hůř, řada modelářů jim věří a řídí se jimi.


RC souprava – co to vlastně je?
Zkratka RC pochází a anglického originálu Radio Control – tedy řízení rádiovým signálem. A proč „souprava“? Protože aby bylo možné cokoli dálkově ovládat, musíme mít onu kompletní „soupravu“ skládající se ze dvou částí, tedy z vysílače (transmitter - Tx) a přijímače (receiver - Rx). Z toho důvodu se např. na krystalech setkáváme se zkratkami „Tx“ a Rx“ které označují, zda krystal máme zasunout do vysílače (Tx), nebo přijímače (Rx).
Funkce vysílače spočívá v tom, že získává pokyny od pilota neustálým snímáním polohy ovládacích prvků (páky, přepínače, tahové prvky). Polohu jednotlivých ovládacích prvků následně vysílač elektronicky zpracuje, zakóduje do jednoho přenosového kanálu a odvysílá v podobě rádiového signálu. 
Přijímač zachytí radiový signál z vysílače, rozkóduje jednotlivé pokyny a dále předá jednotlivé pokyny zařízením v modelu (servům, regulátoru …).

Rádiový signál, to jako rádio a televize?
Ano, svým způsobem hudba v rádiu a obraz v televizi získáváme na naprosto stejném principu, jakým přijímač v našem modelu zachytává povely z vysílače. Rozdíl mezi naším modelem a rozhlasovým vysíláním je ve frekvenci a modulaci rádiového signálu. Bohužel teď musíme trošku zabrousit do suchých technikálií. 

Zní to složitě, ale princip je velmi prostý, každý vysílač generuje tzv. nosný rádiový signál o přesné frekvenci do kterého se za pomoci modulace následně zakóduje sdělení určené pro příjemce signálu (v našem případě pokyny pro řízení modelu). Frekvence signálu je tedy přesně daná (obvykle vloženým krystalem, nebo napevno výrobcem) a během provozu se nemění (s vyjímkou systémů 2,4GHz). Aby bylo možné model ovládat, musí být nastaven vysílač i přijímač na shodnou frekvenci.

Co to je ta frekvence?
Frekvence (nebo také kmitočet) ve své podstatě označuje počet opakujících se cyklů za nějaký čas (obvykle za jednu vteřinu). Jedním cyklem je v našem pojetí myšlen jeden odvysílaný „pokyn“ z vysílače směrem k přijímači. Čím rychleji náš vysílač vysílá, tím více pokynů v časovém úseku odvysílá, čím více pokynů vysílač odvysílá za jednu vteřinu, tím je vyšší pracovní frekvence našeho vysílače. Protože každý odvysílaný pokyn představuje předanou informaci mezi vysílačem a přijímačem je zřejmé, že na čím vyšší frekvenci vysílač pracuje, tím více informací dokáže předat přijímači. 

Pokud mluvíme o „velikosti“ frekvence uvádíme jednotky Hz (hertz = jeden impulz na vteřinu), kHz (kilohertz = tisíc impulzů za vteřinu), MHz(megahertz = milión impulzů za vteřinu), GHz (gigahertz = miliarda impulzů za vteřinu).  

Aby bylo možné bezpečně určit, že daný rádiový signál je určen pro příjem televize, rozhlasu, vysílačky v sanitách, modeláře, policii a další bylo nutné přistoupit k rozdělení frekvencí mezi jednotlivé subjekty. ČTÚ (Český Telekomunikační Úřad) kontroluje a přiděluje jednotlivé frekvence tak, aby se vzájemně nerušily – a samozřejmě trestá porušení daných pravidel. Proto si nemůžeme vybrat jakoukoli frekvenci bychom chtěli, ale musíme dodržovat pravidla daná normami. Pro volné využití veřejnosti byly mimo jiné přiděleny frekvence 27MHz, 35MHz, 40MHz a 2,4GHz. Z toho pouze 35MHz a 40MHz bylo přiděleno pouze pro účely řízení modelů (35Mhz pouze letadel, 40MHz všech modelů). Ano rozumíte správně, 2,4GHz není frekvence určená pouze modelářům, ale i široké veřejnosti. Na tomto kmitočtu pracují např. WiFi sítě pro počítače nebo bezdrátové ovládání čerpadel studní, ovládání hraček atd. Nevěste ale tuto frekvenci na hřebík, jak se dozvíme dále dík novým technologiím a právě vysoké frekvenci (tedy velkému množství předaných informací) je možné i jednu frekvenci sdílet pro více účelů.

Frekvence, frekvence, ale k čemu je tedy ta modulace?
Modulace slouží k tomu, aby se do „prázdného“ nosného signálu zakódovala informace kterou si přejeme rádiovým signálem přenést od vysílače k přijímači.

Nosný signál si lze představit jako dopravníkový pás, který neustále jede od vysílače k přijímači takovou rychlostí, jakou frekvenci má daný rádiový signál a teprve pomocí modulace na tento pás naložíme pokyny pro ovládání modelu.

Druhů modulace je mnoho, pro RC soupravy se však využívají pouze dva typy PPM (Pulzně Polohová Modulace) a PCM (Pulzně Kódová Modulace). V čem je rozdíl a proč je PCM lepší? Základní rozdíl je v tom, že PPM modulace přenáší signál který svým tvarem a délkou určuje v jaké poloze se daný ovladač nachází, zatímco PCM modulace přenáší číselnou hodnotu označující polohu daného ovládacího prvku. Ale proč je ta PCM lepší? Protože u PPM modulace neexistuje žádný způsob, jak by mohl přijímač ověřit zda signál, který byl přijat, je bezchybný.

Modulace PPM generuje signál ve tvaru obdélníků, sled obdélníků za sebou definuje kanál, pro který je daný obdélník určen (první obdélník první kanál, druhý obdélník druhý kanál …). Velikost (délka) obdélníku určuje, v jaké poloze je daný ovládací prvek. Pokud se během přenosu mezi vysílačem a přijímačem vlivem rušení nebo jiné chyby nějaký obdélník poškodí, nebo úplně ztratí, dojde k chybnému „přečtení“ pokynu v přijímači a tím i k chybnému nastavení výchylky serva. I přes snahy výrobců vymyslet mechanismy, jak tento negativní efekt utlumit, je PPM modulace značně náchylnější na rušení, než ostatní typy modulací.

PCM modulace přenáší v binární podobě (známé počítačové 1 a 0) přímo hodnoty (čísla) která definují kód kanálu a krok, ve kterém se nachází poloha ovladače. Vysílač tedy rozdělí dráhu ovládacího prvku např. na 1024 částí a pokud nastavíte ovládací páku do poloviny dráhy, odešle vysílač číslo 512 (polovina z 1024 kroků). Přijímač obdrží signál, kde bude uveden kód kanálu a hodnota 512, z toho je pro přijímač zřejmé, že má nastavit servo na daném kanálu do poloviny výchylky. Modulace PCM (512kroků) a SPCM (1024kroků) se liší právě v počtu kroků, na které dokáže vysílač rozdělit dráhu ovládacích prvků (a tedy jemnost, s jakou reaguje přijímač / servo na pohyby ovládací pákou). PCM a SPCM modulace se tedy v principu nijak neliší, jen číselné hodnoty, které označují polohu ovládacího prvku, jsou u PCM 0 - 512 a u SPCM 0 - 1024. Další velkou výhodou PCM modulace je, že lze matematicky ověřit, zda byly pokyny z vysílače přeneseny správně do přijímače. Jednou z metod kontroly je tzv. kontrolní součet, kdy vysílač sečte hodnoty označující polohy ovládacích prvků a tento součet odešle na konci jednoho odeslaného pokynu (impulzu). Přijímač po obdržení celého impulzu provede stejný součet hodnot a porovná jej se součtem, který obdržel z vysílače. Pokud se hodnoty shodují je jisté, že proběhl přenos správně a přijímač provede nastavení serv.

Tak ještě jednou frekvence, modulace, ale jak to funguje dohromady ?
Pokud jste pochopili výše uvedené, je Vám princip jasný. Vysílač vysílá na nosné frekvenci impulsy, kdy každý jeden impuls obsahuje informace o poloze ovládacích prvků na všech kanálech. Čím vyšší je frekvence, tím více impulzů za vteřinu je odvysíláno od vysílače k přijímači a tím více má přijímač dat k rozhodnutí, do jaké polohy nastavit serva. Zde je zřejmý i vliv vyšší frekvence na chybovost. Pokud se ztratí jeden impulz z miliardy (2,4GHz) je škoda menší, než když se ztratí impulz z miliónu (35MHz). U frekvencí 35MHz a 40MHz je převážně využívána modulace PPM, ale již se značně rozšiřuje i modulace PCM (úmyslně neuvádím „nová modulace PCM“, protože pokud se nemýlím, je tato modulace stará dobře 80 let).

Ale jak je to u 2,4 GHz?
U systémů 2,4GHz je vždy využívána modulace PCM i když systém přenosu dat s využitím této modulace se liší podle výrobců jednotlivých zařízení. Protože je zde mnohem vyšší frekvence signálu, je možné s využitím PCM signálu rozdělit dráhu ovládacích prvků do mnohem více částí (např. 65536 částí pro IFS systém). Nenechte se zmást tím, že Vám na vysílači svítí typ modulace PPM, např. u vysílače Graupner MX-22 pracuje vysílač v režimu PPM, ale systém 2,4 GHz přesto vysílá v PCM modulaci. Vysílač odešle do vysílacího modulu signál v PPM modulaci, vysílací modul pak PPM modulaci převede na PCM modulaci a odvysílá pro přijímač v modulaci PCM. Zde samozřejmě počet bodů, na jaké je rozdělena dráha ovládacího prvku, zůstává na výši modulace PPM, bezpečnost přenosu samotného je ale v systému PCM. Naprostá většina systémů na 2,4GHz pracuje na dvou kanálech zároveň, v praxi to znamená, že vysílač generuje dva nosné signály zároveň a každý signál přenáší stejná data. Přijímač vyhodnotí kvalitu obdržených dat a pokud některý ze signálů obsahuje velkou chybovost, pak přijímač odvysílá žádost k vysílači o změnu kanálu, vysílač vyhledá jiný volný kanál a převede vysílání na tento kanál. Ano čtete správně, u systémů 2,4GHz umí vysílat i přijímač zpět k vysílači. Přijímač průběžně informuje vysílač o kvalitě obdrženého signálu, potvrzuje instrukce o přechodu na jiné kanály, ale nejen to, umí přenášet i telemetrická data. Pokud vlastníte např. IFS systém, pak můžete k přijímači připojit systém pro sledování telemetrických dat nebo výstup z kamery a přijímač Vám tato data v reálném čase odešle přímo z modelu do Vašeho počítače.

Věčné dilema 35Mhz nebo 2,4 GHz?
Zasvěcené debaty o fyzikálním šíření signálů s nižší či vyšší frekvenci není nutné brát úvahu. Výkony na kterých pracují modelářské vysílače zajišťují bezpečné šíření signálu a to minimálně na vzdálenost 1 km viditelné vzdálenosti a 400 – 500 m nepřímé viditelnosti (při správné instalaci přijímače v modelu a antény na vysílači). Proto jediné, co mohu doporučit je, abyste brali v úvahu cenu, kterou chcete do zařízení investovat a účel za jakým budete zařízení využívat. Volit můžete v podstatě ze tří variant.
- 35MHz PPM (levné, ale nejméně bezpečné řešení)
- 35MHz PCM (středně drahé řešení, kompatibilní s většinou starších vysílačů a s poměrně služnou bezpečností přenosu)
- 2,4GHz (nejdražší možné řešení s nejvyšší možnou bezpečností přenosu)

Pro tomasrc.cz Přemek Kadlec

Žádné komentáře:

Okomentovat