דיאגרמות בלוק משמשות את השפה האוניברסלית של הנדסה במערכת, לתרגם פרוטוקולים תקשורת אלחוטיים מופשטים לתוך מבנים חזותיים החושפים כיצד זרימת נתונים, שבו עיבוד מתרחש, וכיצד רכיבים אינטראקציה.בין אם אתה סטודנט ממיפוי פרויקט בכיתה, מהנדס מוטבע מערערמת Bluetooth, או אדריכל רשת אופטימיזציה של תחנת בסיס LTE, היכולת לעצב, דיאגרמות חישוביות אינפורמטיביות היא מיומנות בסיסית אלה הם רק דיאגרמות, לא ברורים, אלא מערכות שיתוף פעולה, הם לא מזרזים, אלא שינויים אנליטיים, אלא מערכות שיתוף פעולה.

מדוע לחסום את החומר ב-Wirele Communications

מערכות תקשורת אלחוטיות מורכבות מטבען.הם כרוכות בשכבות מרובות של מופשטות, מהקצה הקדמי של רדיו- ⁇ (RF) לשכבת היישום ברמה גבוהה. דיאגרמות בלוק מטביעות מורכבות זו על ידי קיבוץ פונקציות קשורות לבלוקים דיסקרטיים, המחוברים על ידי חץ המייצג את זרימת הנתונים, אותות הבקרה או האנרגיה.הפשטות זו מאפשרת למהנדסים להתמקד במערכת תת-מערכת אחת בזמן ללא איבוד הראייה הכללית.

לדוגמה, בעת תכנון של Wi-Fi transceiver, דיאגרמת בלוק יכולה להפריד את עיבוד הבסיס של ערבוב RF וגבר כוח, המאפשר לצוות להקצות מומחים שונים לכל בלוק.בנוסף, בהגדרות אקדמיות, לחסום דיאגרמות עוזר לתלמידים לתפוס את השלבים המשתנים של מודולציה, שידור, קבלה, וניתוק לפני צלילה לתוך המתמטיקה הבסיסית.

המונחים: Wireless Communications Block Diagrams

כל פרוטוקול תקשורת אלחוטי - בין אם זה Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LTE או LoRa - עוסק במערך משותף של בלוקים פונקציונליים.

Transmitter and Acceptr

המשדר (Tx) ו המקלט (Rx) הם נקודות הקצה של כל קישור אלחוטי. בתרשים בלוק, אלה מוצגים לעתים קרובות כבלוקים נפרדים, לפעמים עם מחסנים המייצגים אנטנה, מסננים ומגברים.ההמעביר ממיר נתונים דיגיטליים (bits) לתוך אות מלומד מתאים להפצת, בעוד המקלט מבצע את הverse: לכידת RF, מחליש אותו בחזרה אותות דיגיטליים.

שינוי ודמויות

Modulation מפות דיגיטליות על גל נושאות על ידי שינוי האמפליטונים, תדירות או שלב. תוכניות נפוצות כוללות BPSK, QPSK, 16-QAM, ו-DM. ההדגמה מבצעת את הפעולה לאחור. בלוקים אלה הם לעתים קרובות המורכבים ביותר בתרשים כי הם כוללים שלבים כגון עיצוב הדופק, עלייה של conversion (עבור שידור), ו down-conversion (קבלהקבלהקבלה).

ערוץ ערוצים

הערוץ האלחוטי הוא אמצעי פיזי – אוויר אטי – אשר אותות נוסעים.ב-בבלוק דיאגרמות, הערוץ מיוצג כבלוק בין פלט משדר וקלט מקלט.למרות שהערוץ אינו מכשיר, חיוני לכלול אותו כי הוא מציג ליקויים כגון אובדן נתיב, קידוד, התערבות רב-פת, ורעש.

בקרת שגיאות

כדי להילחם שגיאות המוצגות על ידי הערוץ, מערכות תקשורת מעסיקות קידוד שגיאות (ECC) תיקון שגיאות (FEC) מוסיף ביטים אדומים בנתונים המועברים על ידי העברת מידע, כך שהמקבל יכול לתקן מספר מסוים של שגיאות ללא רנסרציה. Cyclic בדיקות Redundancy (CRCs) ובקשה אוטומטית חוזרת (ARQ) מנגנונים נפוצים גם כן בבלוקגרמה זו בדרך כלל קרוב לפירוק / רצף הני של אימות/מפרקציה הגיונית כדי לסמן קידוד לאחר קידוד לאחר קידוד.

שכבת אבטחה

אותות אלחוטיים רגישים מטבעם ל-Aavesdropping ו- טמפינג.לכן, כל פרוטוקול כולל הצפנה, אימות ומנגנוני יושרה. שכבת האבטחה יכולה לייצג הצפנה AES (המומון ב-Wi-Fi WPA3 ו- Bluetooth LE), פרוטוקולים חילופי מפתח, או הצפנה של יישומים-layer כמו TLS. זה בדרך כלל יושב לאחר שליטה על הצד המעביר ולפני ההדגמה בצד, קבלת נתונים מוצפנים, הוא מבטיח קבלת מידע מוצפן לפני קבלת פנים מוצפנת.

בקרת גישה בינונית (MAC) ו- Network Layers

דיאגרמות בלוק רבות משתרעות מעבר לשכבת הפיזית.שכבת ה- MAC שולטת כיצד מכשירים חולקים את הערוץ (למשל, CSMA/CA עבור Wi-Fi, TDMA עבור Zigbee), בעוד שכבת הרשת מטפלת ב- routing, טיפול וחלוקה.אלה מוצגים לעתים קרובות כבלוקים מעומעמים מעל השכבה הפיזית כדי לייצג שכבה בערימה.

עקרונות עיצוב עבור יעיל בלוק דיגרמה

דיאגרמת בלוק מעוצבת היטב עושה יותר ממרכיבים ברשימה; היא מעבירה את זרימת הנתונים והשליטה בבהירות.העקרונות הבאים מנחים את יצירת דיאגרמות שהן אינפורמטיביות וקלות לפרש.

שמירה על Clear Data Flow

חץ צריך לייצג באופן עקבי את נתיב הנתונים, בדרך כלל משמאל ימינה (צד מעבר לצד המקלט) להימנע מקווי מעבר שבהם ניתן, וכאשר המעבר הוא בלתי נמנע, השתמש גשרים (קשתות קטנות) כדי לציין כי קווים אינם מתחברים.כל בלוק צריך להיות קלט ראשוני אחד ופלט המתייחס לזרם הנתונים הראשי; קלטות משניות (למשל, אותות שליטה, קלטות) ניתן להציג כמסוותק מחסם לבלוקים או הבלוקים התחתונים של הבלוקים.

שימוש ב- Hierarchical Decomposition

התחל עם דיאגרמה ברמה העליונה המציג בלוקים גדולים, ולאחר מכן ליצור תת-דיגרמה לכל בלוק מורכב.לדוגמה, בלוק "Modulator" ברמה העליונה ניתן להרחיב לתוך דיאגרמה נפרדת המכילה בלוקים עבור מיפוי, I / Q, ו- up-conversion. גישה זו שכבתית מונעת כל דיאגרמה אחת מלהת להפוך מכריעה תוך מתן פרטים בעת הצורך.

אימוץ תוויות עקביות וצבע

תייג כל בלוק עם שם ברור, תיאורי (למשל, "Symbol Mapper", "Low-Pass Filter") השתמש באותו המינוח בכל משפחה של דיאגרמות.קידוד צבע יכול להצביע על תחומים שונים: כחול עבור רכיבי RF, ירוק לעיבוד בסיס דיגיטלי, כתום עבור שליטה לוגיקה, ותפקודי אבטחה אדומים.

כולל Key Parameters

בתוך כל בלוק או ליד חץ הפלט שלה, להוסיף פרמטרים מספריים רלוונטיים כגון תדירות נושא, רוחב פס, שיעור נתונים, סדר מודולציה, או עצלות.זה הופך דיאגרמה מושגית לסמך ספציפי שניתן להשתמש בו עבור סימולציה או בחירת חומרה.

כדי להמחיש את תהליך העיצוב, אנו נבנה תרשים בלוק עבור קישור אלחוטי נקודתי-נקודה גנרית.דוגמה זו משתמשת אדריכלות פשוטה אך כוללת את האלמנטים החיוניים הקיימים ברוב הפרוטוקולים.

שלב 1: Define the Input and Output

הקלט הוא זרם של ביטים דיגיטליים (למשל, החל מהיישום) הפלט הוא זרם ה bit המתקבל לאחר עיבוד.צייר שני קווים אנכיים או סמלי נמל בצד שמאל (input) וימין ( ⁇ ).

שלב 2: הוסף את בלוקים Core Transmitter

(ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]

שלב 3: הכנס את ערוץ הבלוק

להציב בלוק שכותרתו "ערוץ ללא תשלום" בין הפלט המשדר לבין קלט המקלט.בתוך בלוק זה, אתה יכול לציין ליקויים כגון אובדן דרך, דמות רעש, או עיכוב רב-פת התפשט.

שלב 4: הוסף את הבלוקים Core המקבל

(ב) ויקרא י"א): "ה' (ב) ויקרא י"א) ויקרא י"א: "וַיָּבְהִיא נָא נָאֶשׁ עַמֶשׁ הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא

שלב 5: כולל שליטה וסינכרון בלוקים

מקלטים אלחוטיים זקוקים לתזמון ולתרכיון תדרים: הוסף FLT:0 (Carrier RecoveryFeloph:1block) חסימה המזין אות שליטה להורדת ה-converter, ו-FLT:2Symbol Timing RecoveryFLT 3, אשר מאמת את השעון המפוספס של המסנן התואם לעתים קרובות עם קווים מעודפים לבלוקים הרלוונטיים.

שלב 6: הוסף Mac / פרוטוקול שכבת בלוק

אם הדיאגרמה היא לייצג פרוטוקול שלם (למשל, Wi-Fi), כולל בלוק המפקח FLT:0)MAC ControllerFLT:1 המתקשר עם השכבה הפיזית על המדר וצדדים המקלט.בלוק זה מטפל בחבילת שיתוק, אישורים, גיבוי ובקרת גישה.

פרוטוקול-Specific Variations

פרוטוקולים אלחוטיים שונים מדגישים בלוקים שונים המבוססים על מטרות התכנון שלהם.למטה הם מדגישים את המשפחות הנפוצות ביותר.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

שימושי Wi-Fi של DM עם עד 256-QAM Modulation של דיאגרמות בלוקים שלה לעתים קרובות תכונה של עיבוד בסיס גדול כולל FFT / IFFT בלוקים, הוספת תיקון מחזורי, וגזרות טייס עבור הערכת ערוץ.השכבה MAC מורכבת בשל CSMA / CA ו RT /S מנגנונים חיצוניים.

Bluetooth Low Energy (BLE)

שימושים ב-GFSK Modulation עם עיצוב פשוט, בעל עוצמה.אגרמות בלוק שלה קטנות יותר ולעתים קרובות כוללות ספקטרום התפשטות תדירות (FHSS) השולט בתדירות הערוץ לחבילה. שכבת האבטחה חשובה במיוחד, עם הצפנה AES-CCM.

Zigbee (IEEE 802.15.4)

Zigbee מיועד לשיעור נתונים נמוך, רשתות בעלות כוח נמוך.השכבה הפיזית שלו משתמשת DSSS ו- OQPSK ב-2.4 GHz.block דיאגרמות בדרך כלל מדגישות את מבנה ה- Mac-en-en-ed-eded-of-and ואת יכולות ההנעה של שכבת הרשת.

LTE / 5G NR

מערכות סלולריות הן המורכבות ביותר.בלוק דיאגרמות עבור LTE ו-5G NR כוללות את DMA (קישור) ו- SC-FDMA (uplink) Modulation, מערך אנטנות מסיביות של MIMO, ARQ היברידית (HARQ), וערוץ מתקדם המתקיף כמו קודים LDPC וקודי קוטביות (D) ערימה מחולקת למטוס משתמש ושליטה, לעתים קרובות כעמודות נפרדות.

כלים ליצירת חסימות אלחוטיות

(המהנדסים המקצועיים והמחנכים) יש מגוון של כלים העומדים לרשותם, עבור דיאגרמות למטרות כלליות, (FLT:0turn.ioFLT:1) (כיום דיאגרמות.net) היא אופציה מבוססת אינטרנט חינם עם ספריות צורה נרחבת לתקשורת ורשת.עבור סימולציות מיוחדות יותר של RF ודיגיטלי, FLT:2SimulinkmentF3) (עם תיבת התקשורת) מאפשרת סימולציות כפולות ל-TX.

אם אתה צריך אפשרות קלה, חוצה פלטפורמות, אשר שימושי עבור תיעוד מבוקר גירסה 1.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

אפילו מעצבים מנוסים יכולים לייצר דיאגרמות מבלבלות.כאן השגיאות הנפוצות ביותר ופתרונותיהם.

מעל לדרג העליון

מיפוי כל תת-בלוק ברמה הגבוהה ביותר יוצר תרשים קל יותר עם עשרות קופסאות וקווי צלב.פתרון: קביעת בלוקים מורכבים (למשל, "תהליך בפס") לתוך דיאגרמות ילדים נפרדות. השתמש בועידת שמות עקבית (למשל, איור 1a, 1b) כך שהקוראים יכולים לנווט בקלות.

כיוונים חץ פאניקה

חץים שמצביעים הן דרכים, או שמתחילים מבפנים בלוק ללא מקור ברור, מבלבלים את הקורא.פתרון: השתמש בחצים חד-צדדיים עבור זרימת נתונים.עבור ערוצים דו-כי-כי-כיואוליים (למשל, חצי-דופלקס), מושכים קו אחד עם צמתים בשני הקצוות ותיוגים אותו "Half-Duplex Link" למגוון רחב, שואב שני כיוונים מנוגדים.

התעלמות משעון וסנכרון אותות

עיצובים רבים מראים רק את נתיב הנתונים הראשי, הזנחה אותות סינכרוניזציה קריטיים עבור ניתוח בזמן אמת.פתרון: הוסף שכבה שנייה של חצים מלוטש או נתיבים אופקיים נפרדים עבור הפצת שעון אותות בקרה.זה חשוב במיוחד בתרשיםי מקלט שבו לולאות התאוששות תזמון הם חיוניים.

המונחים: Terminology

שימוש ב"Modulator" בחלק אחד של הדיאגרמה ו"Mapper" באחר כדי לנסח את אותו תפקיד גורם לבלבול.פתרון: ליצור מבריק עבור כל תרשים מוגדר.

הערכה ואימות בלוק דיגרמה

דיאגרמת בלוק היא רק שימושית אם היא מייצגת במדויק את המערכת. לאמת, לעקוב אחר חבילה שלמה באמצעות הדיאגרמה מפלט לפלט, להבטיח שכל צעד הוא מחושב עבור וכי אין בלוק חסר קלט או פלטים.אם הדיאגרמה מיועדת לסימולציה, לאמת כי כל בלוק יש פרמטרים מוגדרים היטב (למשל, רווח, דמות רעש, מסנן) וכי הקשר תואם את האותות בתוך הסימולציה.

סקירת Per היא בלתי נסבלת.יש חבר שאינו מכיר את המערכת הספציפית סוקר את התראגרמה ומתאר מה הם חושבים שכל חלק עושה.אם הם יכולים לזהות נכון את הפונקציה של כל בלוק ואת התנהגות הפרוטוקול הכוללת, הדיאגרמה היא מוצלחת.

מסקנה

תכנון דיאגרמות בלוק עבור פרוטוקולי תקשורת אלחוטית הוא יותר מאשר תרגיל טיוטה - זה דרך ממושמעת חשיבה על ארכיטקטורת מערכת, זרימת נתונים ואינטראקציה רכיב. על ידי הבנת בלוקים הליבה פונקציונליים, לאחר עקרונות עיצוב ברורים, ושימוש בכלים מתאימים, מהנדסים וסטודנטים יכולים ליצור דיאגרמות שמשמשות כסימונים מוחלטים ליישום, בדיקות, ופתרון בעיות אלחוטיות.