Радиочестотни приемници и предаватели в интегрално изпълнение

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2015

Стефан Куцаров

Използването на радиовръзките в последно време се разпростря отвъд утвърдената област на следене и управление на машини и линии в производствени условия. Днес към тези приложения се включват транспортните системи, селскостопанските машини, електрическите мрежи, вкл. възобновяемите източници на енергия, и много други.

Горната граница на ползваните честотни обхвати непрекъснато нараства и понастоящем е 60 GHz, а основната част на радиовръзките са двупосочни, което определя като най-масово ползването на радиочестотни приемо-предаватели (RF Transceiver). Сравнително по-ограничен, но не по-малко важен, е делът на отделните предаватели (RF Transmitter) и приемници (RF Receiver).

Естеството на индустриалните приложения изисква сравнително малък обхват на радиовръзките, поради което реализиращите ги устройства твърде често са от типа за близки разстояния (Short Range Device) SRD. Освен това се ползват канали с тясна честотна лента - при типичната за тях средна честота до 900 MHz относителната й широчина трябва да е до 0,25%, а при по-високи честоти да не надхвърля 0,5%. Друга особеност е задължителното ползване на нелицензирани обхвати.

За намаляване на размерите, теглото и цената на изделията и повишаване на надеждността им в устройствата за радиокомуникация масово се използват интегрални схеми (ИС), които, с изключение на тези за Bluetooth и ZigBee, са предмет на настоящата статия. Трябва да се отбележи и че при избора на подходяща ИС е необходимо внимателно да се преценят количеството и видът на необходимите за работата й външни елементи, обикновено цитирани в техническата документация.

Класически приемо-предаватели
Обикновено те осигуряват полудуплексна връзка, честотните им обхвати са до 1 GHz, работната им честота е равна на носещата (Carrier Frequency) fRF на предавателя (ТХ) и се генерира от синтезатор със схема за фазова донастройка на честотата (PLL), каквато има и в приемника (RX). Синтезаторът също е вграден в ИС, но кварцовият му резонатор е външен. Някои ИС имат втори външен кварц за работа на междинночестотния усилвател на приемника им.

Задължително се обменят само цифрови данни със скорост (Data Rate) DR, които в предавателя се кодират и след това модулират. За кодирането често се използва NRZ (Non Return to Zero) и Manchester кодове, докато модулирането е изменение на някой от параметрите на синусоидата с fRF. При това значителна част от ИС позволяват повече от една модулации, които могат да бъдат избирани чрез управлението на ИС.

Най-често използвани са:
• ООК (On-Off Keying) – логическата 1 е синусоидален сигнал с fRF и фиксирана амплитуда, а логическата 0 - неговата липса.
• ASK (Amplitude Shift Keying) е амплитуднокодова модулация с fRF=const и по-голяма амплитуда на сигнала с логическа 1, отколкото на логическа 0.
• Честотнокодовите модулации с фиксирана амплитуда на синусоидата са няколко. Най-проста е двоичната (Binary FSK) с означения BFSK и 2-FSK и масово използвано FSK, при която на двете логически нива съответстват синусоиди с различни честоти.

При 4FSK (4-Level FSK) се предават 2b числа с отделна честота за всяко от тях. Разновидност на BFSK е MSК (от Minimum Shift Keying) с разлика между двете честоти, равна на половината от DR. Гаусовата FSK (Gaussian FSK, GFSK) е подобна на BFSK, но предварително чрез филтър се удължават фронтовете на импулсите, за да се стесни реалната честотна лента на модулирания сигнал и да позволи по-точното му предаване в тясна лента. Тя има разновидности GMSK и 4GFSK.

Полезно е да се добави, че в някои ИС към избора на вида на модулацията е прибавено нейното изключване, т.е. предаване на чиста синусоида (Continuous Wave) CW за оценка на качеството на връзката, например нивото на приемания сигнал.

Входните и изходните цифрови данни се осигуряват от външен цифров блок (обикновено микроконтролер), като често се използва интерфейсът SPI, по-рядко SCI и специфични за производителя интерфейси. За улесняване на обмена на данни и управлението на работата на приемо-предавателите обикновено те имат вградени памети, чиито вид и обем зависят от конкретната ИС.

Изводите на антената се превключват чрез вграден блок към входа на приемника и изхода на предавателя. Преминаването от режим приемане в предаване и обратно става за време tSW. Полезна подробност е наличието в част от ИС на индикатор за нивото на приемания сигнал (Received Signal Strength Indicator) RSSI.

Сред основните параметри на приемо-предавателите е честотният им обхват (TX Frequency Range) FR, като желаната стойност на fRF в част от ИС се задава от синтезатора чрез външното управление със стъпка (Synthesizer Frequency Resolution) FRES. Широчината на честотната лента на приемника е Df и в някои ИС може да се програмира чрез управлението. В други се задава стойността на fRF за определен брой фиксирани канали (Multichannel Transceiver).

Изходната мощност РТХ на предавателя е с мерна единица dBm, като превръщането й в mW става чрез израза PTX[mW]=100,1PdBm. В част от ИС тя е с фиксирана стойност, а в други може да се задава чрез управлението в определени граници и с фиксирана стъпка DPТХ (в dB).

За приемника основен параметър е чувствителността (Sensitivity) S, която е минималната входна мощност (в dBm) за нормално приемане. Стойността й в mW се определя от дадения израз, а съответстващото й напрежение е VS=Ц(SxRin), където Rin е входното съпротивление на приемника. Намаляването на входната мощност води до нарастване на грешките при приемане (Bit Error Rate) BER, поради което S се дава при определена BER.

Така например ИС от ред 4 на табл. 1 има S = -116 dBm при BER < 0,1%, което означава, че при минималното входно напрежение 0,354 mV на всеки 1000 b най-много един може да се приеме грешно. Освен това S е правопропорционална на DR - с намаляване на скоростта приемането се осигурява с по-малка мощност на сигнала. Не по-малко важно е, че в ИС с няколко вида модулации обикновено стойността на S е различна за всяка от тях.

Стремежът към намаляване на консумираната електрическа енергия от приемо-предавателите независимо от вида им е причина за непрекъснато намаляване на тяхното захранващо напрежение VDD и консумирания ток IDD, като трябва да се отбележи, че стойността на последния е правопропорционална на РТХ, на работната честота и е различна при приемане (RX) и предаване (ТХ).

За намаляване на консумацията практически е задължително ИС автоматично да преминават в икономичен режим след като определено време не са обменяли данни. В зависимост от модела може да има няколко такива режима, един от които е пълното изключване (Shutdown Mode), при което ИС консумира ток ISHDN. Времето tCON е за преминаване от това състояние в работен режим (обикновено еднакво за включване на предавателя и приемника).

На фиг. 1 е дадена идея за свързването на приемо-предаватели. С Data е означена общата шина за обмен на данни и управление, а входовете RX на предавателя и ТХ на приемника са свързани през филтъра F (от бобини и кондензатори със специфична схема за всяка ИС) към антената А. На извода VDD (един или няколко) за захранващото напрежение има задължително кондензатори, обикновено 2 или 3, свързани успоредно (например 1mF+100nF+100pF). Някои ИС съдържат входно-изходна шина GPIO с общо предназначение, например за получаване на демодулирания приеман сигнал.

В табл. 1 са дадени основните параметри на типични съвременни приемо-предаватели за честоти до 1 GHz. Заслужава да се спомене специфичната серия CC430F614x, CC430F514x и CC430F512x на Texas Instruments, чиито ИС представляват микроконтролер MSP430 с вграден приемо-предавател за обхватите 300-348 MHz, 389-464 MHz и 779-928 MHz с модулации ASK, 2FSK, 2GFSK и MSK, стойност на DR между 0,6 kbps и 500 kbps, изходяща мощност -30 dBm ё +13 dBm и S = -86dBm ё  -117 dBm.

По-малкият вариант на корпуса на ИС е 7x7x0,9 mm.
Характерни приложения на класическите приемо-предаватели до 1 GHz са в безжични сензорни мрежи, охранителни системи, индустриални системи за управление, телеметрични системи, съвременни измервателни системи (Advanced Metering Infrastructure) AMI, дистанционно отчитане показанията на измервателни уреди (Automated Meter Reading) AMR, системи за радиоидентификация (RFID), следене състоянието на пациенти (Health Monitor) и др.

Приемо-предаватели за ISM и SRD до 1 GHz
Нелицензираните радиочестотни обхвати ISM Bands са предназначени основно за приложения в индустрията, научните изследвания и медицината и са определени от ITU Radio Regulations както следва: 6,765-6,795 MHz (6,78 MHz), 13,553-13,567 MHz (13,56 MHz), 26,957-27,283 MHz (27,12 MHz), 40,66-40,7 MHz (40,68 MHz), 433,05-434,79 MHz (433,92 MHz), 902-928 MHz (915 MHz), 2,45-2,5 GHz (2,45 GHz), 24-24,25 GHz (24,125 GHz), 61-61,5 GHz (61,25 GHz), 122-123 GHz (122,5 GHz) и 244-246GHz (245 GHz), а само за Европа е и 863-870 MHz, известен като обхват 868 MHz.

В скоби е дадена средната честота на обхватите, използвана за тяхното означаване, като често се пренебрегват цифрите след десетичната запетая. Трябва да се прибави, че последните два обхвата все още не се използват реално. Всички обхвати са част от SRD и за ИС с тях се отбелязва, че имат ISM/SRD Bands. Специфични за SRD са 3,155-3,4 MHz, 72-72,25 MHz, 315 MHz, 402-405 MHz, 864,8-865 MHz и 5,47-5,725 GHz. Освен в индустрията SRD имат и много други приложения (например в 5 GHz-овия обхват е IEEE 802.11.a/g за безжични комуникационни системи), които не се разглеждат в настоящата статия.

Няма принципни различия в действието и основните параметри на приемо-предавателите за ISM/SRD и вече разгледаните. Идеята за свързването им също не се различава от дадената на фиг. 1. Това е причината да съществуват немалко ИС, предназначени едновременно за обхвати във и извън ISM. За обща оценка на максималната РТХ и най-добрата чувствителност понякога се използва сумата им с наименование Link Budged - например неговата стойност за ИС в ред 5 на табл. 2 е 151 dB.

При избора на антена за ИС трябва да се има предвид, че импедансът на товара в част от тях е различен от 50 ома, като стойностите му са дадени в каталога. За практическата реализация е полезно да се знае, че в каталозите на значителна част от ИС освен схемите на свързването им също са дадени използваните елементи и топологията на печатната им платка.

Приложенията на приемо-предавателите ISM/SRD до 1 GHz са в индустриални системи за контрол и управление, системи за жилищни и административна сгради (Home and Building Automation), безжични сензорни мрежи и регистратори (Data Logging System), безжична компютърна периферия, охранителни системи, контрол на преминаването на физически обекти (Asset Tracing), телеметрични системи, управление на осветлението (Lighting Control), автоматично отчитане на показанията на комунални измервателни прибори, както и в бързо развиващата се област, известна като “Интернет на нещата” (Internet of Things).

В табл. 2 са дадени основните параметри на типични ИС, като входовете им RX, TX и Data имат вградена защита от електростатични разряди (ESD) със стойност в зависимост от конкретната ИС. Дадените в редове 1-3, 5 и 6 имат вграден интерфейс SPI и тази в ред 4 е с I2C. Стабилната работа на ИС в ред 1 се осигурява от автоматично регулиране на усилването (AGC) и поддържане на работната честота (AFC), като последното компенсира нейните изменения при промяна на температурата на кристала, измервана чрез вграден сензор.

Характерни са 6-те възможности (Radio Profile) за обмен на данни, всяка от които с конкретни FR, вид на модулацията, DR и Df. Приемо-предавател с допълнителни обхвати освен ISM е даденият в ред 2. Необичайно малкият му IDD при приемане е благодарение на захранването на 4 групи блокове с напрежения 0,85-1,8 V, получавани от вградени постояннотокови стабилизатори.

Каталогът на тази ИС е пример за подробно описание на функционирането, което улеснява практическото й използване. Чрез управлението на ИС в ред 5 могат да се избират 24 канала в дадения FR, а смяната на режимите приемане и предаване изисква външен ключ, тъй като тя е с отделни изводи RX и ТХ. Освен обхватите в ред 6 е възможно при производителя да се заявяват ИС със 137-158,3 MHz, 205-237,5 MHz и 274-316,6 MHz.

Приемо-предаватели за ISM над 1GHz
Единственият обхват за SRD над 1 GHz реално не се използва, като поради съществуващите технологични затруднения "ударението" на ISM обхватите е върху този с лента 2400 - 2483,5 MHz. Обикновено той се означава като 2,4 GHz ISM-Band IEEE 802.15.4, тъй като е в съответствие със съответния стандарт IEEE. В него работят ИС на редове 1 - 5 на табл. 3 и няма различия в по-голямата част от основните им параметри от тези до 1 GHz.

Важна особеност е използването на други видове модулации, например Frequency Hopping Spread Spectrum Modulation (FHSS Modulation) и Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), за които не винаги се споменава в каталозите на ИС. Честотният обхват е разделен на канали, като се дава броят им или разстоянието между два съседни (Channel Frequency Resolution) CFR.

Освен това стойностите на DR са по-големи, като 250 kbps е масово използвана, защото е според IEEE 802.15.4. Блокът F на фиг. 1 обикновено е с по-сложна структура от пасивни преобразуватели (Balun) и/или микролинии (Microstrip), като често и захранващото напрежение на ИС се подава през такава линия. Подробности по тези въпроси се дават в техническата документация. Трябва да се прибави, че по-високите работни честоти са причина за намалено усилване и, съответно, по-малка S.

Има твърде много общи области на приложение с приемо-предавателите над 1 GHz, а специфичните включват радиовръзки в съответствие с различни международни норми (напр. FCC CFR47, part 15; ETSI EN 300 328; EN 300 440; ARIB STD-T-66), в интерфейса ZigBee и др.
Типични ИС са дадени в табл. 4, а представа за множеството им допълнителни възможности са част от тези на ред 4 - обмен на данни в пакети с повтаряне на грешно приетите, кодиране на предаваните данни с AES-128, алгоритъм за CSMA/CA Mode.

Приемо-предаватели за M-Bus
Стандартът Meter Bus (M-Bus, Metering Bus) е ориентиран към системите за събиране на данни от прибори за измерване на изразходвана електрическа и топлинна енергия, на газ, вода и на други величини, което се осъществява чрез жични (Wired M-Bus) и безжични (Wireless M-Bus, WMBus), описани в европейските стандарти EN 13757 и EN 1434.

Те имат по няколко разновидности, поради което при избора на ИС за дадена практическа реализация трябва да се внимава за коя от тях е предназначена. Безжичните връзки могат да ползват приемо-предаватели за ISM обхвата (даденият в ред 1 на табл. 4) или други (редове 2 и 3). Схемата на свързване на ИС за WMBus отново е показаната на фиг. 1.

Приемници
За реализация на еднопосочни връзки по-просто решение е използването на отделни приемници и предаватели. Опростената структура на техните ИС е предпоставка за по-малка постояннотокова консумация и работа до по-висока честота в сравнение с приемо-предавателите, която засега достига до 60 GHz-овия обхват. За него е в сила новият метод за обмен на данни на близки разстояния WiGig, създаден от Wireless Gigabit Alliancе и въведен в стандарта IEEE 802.11ad. Методът изисква канал с честотна лента 7 GHz, ползва OFDM и осигурява скорост до 7 Gbps.

Опростената схема на свързване на приемник е дадена на фиг. 2 и тя логично е подобна на тази на фиг. 1. Филтърът F осигурява свързването на антената А с диференциалния вход RXp-RXn на ИС и към класическата му реализация с бобини и кондензатори вече се прибавя и такава с прибор с повърхнинни вълни (SAW Filter), пример за какъвто е даден в ред 2 на табл. 5.

Шината Data в някои случаи е двупосочна (ред 8 в табл. 5) и предава едновременно изходните цифрови данни и управляващите сигнали на интерфейса, в други е само изходна, при което за управление има друга двупосочна. Последното пак може да е реализирано с някой от масовите интерфейси (ред 2) или по специфичен за ИС начин, но задължително в последователен код с необходимост от входни тактови импулси.

За нормалната работа на приемниците постъпващата на входа им мощност не трябва да надхвърля стойността Pin (тя се използва като параметър и в приемо-предавателите, но не е отразена в таблици 1 - 4).

Приложенията на отделните приемници и предаватели по принцип не се различават от тези на приемо-предавателите, като често се предлагат в двойки с предавател (тези в редове 1 и 5 на табл. 5 със същите редове на табл. 6). Приемникът от ред 1 освен в ISM обхвата може да се използва за обмен на данни и за изображения с висока разделителна способност, а размерите в табл. 5 са на неговата полупроводникова подложка. Сред по-редките примери за хибридни ИС е даденият на ред 6.

Предаватели
Не съществуват принципни различия между параметрите на предавателите и тези на приемо-предавателите. В табл. 6 са дадени основните параметри на типични ИС, като предавателят от ред 4 съдържа блок за кодиране, а този от ред 6 е хибридна интегрална схема с вграден SAW резонатор.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top