Съвременни радиомодули

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 2/2020 • 01.04.2020

Съвременни радиомодули

Стефан Куцаров

Сред характерните особености на последните десетилетия е лавинообразното нарастване на ползването на радиовръзки чрез преносими устройства. Съчетаването в тях на все повече възможности с намаляване на енергоконсумацията, размерите и теглото изисква подходящи електронни елементи за реализацията им. Независимо от прогреса в създаването на интегрални схеми (ИС) в редица случаи те не успяват да удовлетворят изискванията на производителите на комуникационни устройства. Решението е използването на радиомодули (Radio Module, RF Module) вместо ИС, а изборът на една от тези възможности или на двете едновременно зависи от параметри на разработваното устройство. Принципното предимство на модулната концепция за намаляване на времето за разработка на устройства е особено важно за радиомодулите поради голямата динамика в развитието на телекомуникациите. Същевременно, благодарение на все по-малките им размери те с успех се ползват в преносими битови устройства и се правят стъпки в създаването на модели за имплантиране.

Статията е посветена на основните видове радиомодули, представени (с малки изключения) от началото на 2016 г., като с най-голям дял са тези, пуснати на пазара след 01.01.2018 г.

 

Мощни високочестотни усилватели и ключове

Мощните усилватели (Power Amplifier) PA логично се ползват в изходните стъпала на предавателите за осигуряване на необходимата енергия на излъчваните електромагнитни вълни. Относителният им дял спрямо другите радиомодули е сравнително малък, тъй като преносимите устройства нямат голям обхват на покритие и мощният усилвател може да е част от модула на предавател или приемо-предавател. Изходната им мощност вместо във W обикновено се дава в dBm при връзка между двете величини P[mW]=100.1PdBm.

Използваните РА обикновено са широколентови (Wideband Power Amplifier, Broadband Power Amplifier), първият пример за какъвто е НМС-С582 на Analog Devices. Неговата честотна лента 10 MHz – 20 GHz определя наименованието Ultra Wide Band Amplifier и възможностите за приложение в широк спектър от устройства. Изходната мощност е 26 dBm, като входът и изходът осигуряват галванично разделяне и са със съпротивление 50 Ω. Модулът се захранва с напрежение между 14 и 16 V, от което консумира 0,69 А, има 4 извода, работен температурен обхват -40÷+75°С и размери 44,5x41,2x13,4 mm. Препоръчваните приложения са в телекомуникационни мрежи вкл. оптични, измервателни прибори, малки терминали (VSAT) и радари. Друг типичен пример е MAMG-100227-010 на компанията МАСОМ с честотна лента 225 MHz – 2,6 GHz. Значително по-голямата му изходна мощност 41 dBm изисква захранващо напрежение 28–36 V, от което се консумира ток 1,6 А. Независимо от това размерите на модула са 17х14х3,1 mm.

Модулът AFSC5G26D37 на NXP Semiconductor e за осъществяване на връзки в 5G мрежи, но може да се ползва и в 4G, тъй като удовлетворява изискванията на стандарта Long Term Evolution (LTE). Сред препоръчваните му приложения са във външно поставени клетки с неголяма мощност и в дистанционни радиосистеми (Remote Radio Head, Remote Radio Unit). Модулът е с честотен обхват 2496-2690 MHz и средна мощност 37 dB, осигурявана с VCC=28 V при консумиран ток 80 mA. Входът и изходът са галванично разделени и имат съпротивление 50 Ω. Работният температурен обхват е -40÷+105°С, а размерите 10x6x1,35 mm.

Полезно е да се има предвид, че често в документацията на мощните усилватели производителите дават препоръки за избор на външни елементи.

Модулите на мощни ключове (Switch Module) са предназначени за замяна на съществуващите механични превключватели в свързването на устройства с мощни ВЧ сигнали, а типичен пример е НМС-С09 на Analog Devices. Чрез постоянно напрежение на управляващия му вход се осъществява или прекъсва връзката между свързани към два негови извода устройства. Честотната лента на ключа е 0-20 GHz, като при най-високата честота затихването на преминаващия сигнал е 6 dB. Работният му температурен обхват е от -55 до +85°С, а размерите 25,4 x 21,6 x 5,97 mm.

Съществуват и комбинирани модули на усилвател с ключ, пример за какъвто е AFRX5G272 на NXP Semiconductor. Чрез управлявания с външно напрежение ключ сигналът на ВЧ входа на модула може да се подава на вградения усилвател със собствен изход или непосредствено на друг изход. Модулът работи с честоти между 2,3 и 2,7 GHz, преминаващият през ключа сигнал затихва с 1,2 dB, а двата изхода са със съпротивление 50 Ω.

 

Предаватели и приемници

Модулите на предаватели (Transmitter Module) TX и приемници (Receiver Module) RX се ползват при еднопосочни връзки, в които едното устройство е с TX, а в другото има RХ. Почти винаги обменяните данни са цифрови. С изключение на специфични случаи параметрите на RX и ТХ са еднакви, за да може двойките да бъдат ползвани и в приемо-предаватели. Приложенията на модулите са в охранителни системи, такива за дистанционно управление в индустрията, за проследяване (Tracking System), в телеметрията и др.

Задължителните общи параметри на RX и TX са честотният обхват, стабилността на честотата FS, скоростта на обмен на данните v, броят на каналите, захранващото напрежение VCC, консумираният от него ток ICC или консумираната мощност РСС, работният температурен обхват (на околната температура) ТА, размерите и теглото. Към тях в RX се прибавя мощността на излъчвания сигнал (RF Output Power) Pout и в ТХ – минималната мощност на приемания сигнал (RF Input Power) Pin, наричана и чувствителност (Sensitivity). Понякога в документацията към Pout е прибавен гарантираният обхват на покритие (например 600 m за модула на ред 2 от табл. 1). Освен това част от RX и TX са в отделни каталози (редове 1 и 2), а в други са в общ (редове 3 и 4).



Относителният дял на модулите на RX и ТХ е сравнително малък, което се вижда от сравняването на табл. 1 и табл. 2. Честотата на каналите в ТХ и RX на редове 1 и 2 от табл. 1 е фабрично зададена, докато тази на редове 3 и 4 може да се избира чрез свързване на предназначените за това изводи. Последните модули имат разновидности за 434 MHz и 868 MHz и разлика на част от техните параметри в двата обхвата. Модул на RX за определяне позицията на движещи се превозни средства е даденият на ред 5. Той ползва системите GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou и се управлява с интерфейсите DDC, SPI, UART и USB.

 

Приемо-предаватели

Най-масово използваните безжични връзки са двупосочните, което определя приемо-предавателите (Transceiver) TRX като най-разпространените радиомодули. Разнообразието на ползваните ИС за тяхната реализация, на начините за управление и приложенията определят значителни разлики в структурата на моделите. Управлението обикновено се прави с микроконтролер, който може да е вграден или външно свързван. Всичко това е причина голяма част от радиомодулите на приемо-предаватели да нямат универсални приложения както вече разгледаните RX и ТХ и трябва разработката на нов модел да е ориентирана към определена област на използване. За конструкторите на устройства това означава първата стъпка да е избор на подходящата група модули, а от нея да се вземе осигуряващият желаните параметри. Известно затруднение при ползването на този подход е липсата на препоръчвани приложения в каталозите на част от радиомодулите.



Същността на структурата на TRX е дадена на фиг. 1. Сигналите за предаване постъпват на вход RXin, а приетите се получават на изход TXout. Двата вида сигнали са аналогови и се превръщат в цифрови от вградените в µС аналогово-цифров и цифрово-аналогов преобразувател. Изводите GPIO могат да бъдат определяни от µC като вход или изход и се ползват за задаване начина на функциониране на модула или за регистриране на неговото състояние. Изводи Interface са за въвеждане или получаване на данни от блокове на µC, а на вход CLK постъпват необходимите за работата му тактови импулси. Действието на TXR се управлява от mC чрез интерфейсната шина IBus и за обмена на данни в последователен код е Data. Чрез ключовете T/R при предаване сигналите от РА и филтъра F достигат антената А, а приеманите от нея се усилват от PRE.

При избора на радиомодул с вграден микроконтролер трябва да се има предвид, че с подобна структура и в основата си същото функциониране са безжичните микроконтролери (Wireless Microcontroller), реализирани като ИС от типа SoC. Разликата е, че в радиомодулите TRX е основният блок, а микроконтролерът е с помощни функции, докато при безжичните микроконтролери е обратното. Независимо от това не са редки случаите, когато съществува принципна възможност устройство да бъде реализирано по двата начина.



В табл. 2 са дадени примери за нови модели радиомодули. Този на ред 1 е предвиден за индустриални системи с дистанционно управление, телеметрия и класически обмен на данни. Носещата честота може да се програмира в рамките на обхвата със стъпка 25 kHz. Модулът работи в полудуплексен режим и има варианти за обхвати 419, 429, 447, 458 и 868 MHz. За дистанционно управление на повдигащи механизми и на врати на охраняеми сгради е захранваният с батерия модул от ред 2. Той има обхват на покритие 100 m, работи в симплексен режим и позволява двупосочна връзка между два модула. На ред 3 са основните параметри на серия от 22 модула, предвидени за сградна автоматизация, за използване в интелигентни енергийни и осветителни системи, в медицината и др. Вграденият 10-битов АЦП позволява, както в други модули, работа с източници на аналогови сигнали, а за разширяване на възможностите на модула той съдържа RAM.

Основно за мрежови портали е модулът на ред 4, който благодарение на технологията Smart Ask може чрез външен mC да обменя данни с 15 сензора. Модулът на ред 5 ползва IEEE 802.11 b/g/n в обхвата 2,4 GHz и IEEE 802.11a в 5 GHz. Управлението му е чрез интерфейсите SPI и UART и с постоянни напрежения на входно-изходните изводи (GPIO). Предназначението на модула от ред 6 е за охранителни системи, сградна автоматизация, индустриални системи за управление, събиране на данни от измервателни уреди и др. Той е част от серия от 8 модула с честотни обхвати 315 MHz и 433 MHz (освен дадените в табл. 2) и работи с протоколите IEEE 802.15.4g и WMBus. Съдържа два входа за аналогови сигнали, всеки с вградени усилвател и АЦП, и се управлява с SPI. Специфичен е модулът на ред 7, предназначен е основно за индустриални системи и сградна автоматизация (Connected Home). Поради малката му постояннотокова консумация е подходящ за работа с батерийно захранвани безжични сензори. Към единствената му ИС е прибавен трансформатор (Balun) за свързване на симетричния й изход към несиметричния на модула, подходящ филтър и необходимият кварцов резонатор за процесора й. Поради тази структура параметрите на модула съвпадат с тези на ИС, която е от типа система в корпус (System-in-Package, SiP) с два полупроводникови кристала – на процесора и приемо-предавателя. Модулът може да обменя данни чрез интерфейсите I2C, SPI, USART и USB 2.0.

Даденият на ред 8 модул е предвиден основно за работа в Peer-to-Peer мрежи. Неговата Pout може да се превключва на двете стойности в колона 5 на табл. 2, а управлението на работата е чрез SPI. Модулът има втори сериен вход за диагностика, 12-битови АЦП и ЦАП.

От типа модули със SiP ИС е даденият на ред 9, предвиден за сградна и индустриална автоматизация, за IoT и мрежи 6LoWPAN, ZigBee, WirelessHART и Threat. Разположението на неговите елементи е показано на фиг. 2, като долу вдясно е диелектричната чип-антена. Вместо µC модулът съдържа 32-битов µP заедно с Flash за програмното управление и RAM за обменяните данни с възможност за директен достъп (DMA). Разполага с по два интерфейса I2C, SPI и UART, има 18 GPIO и ползва IEEE802.15.4-2006. Специфични са вградените сензори за температура и напрежение.



За два честотни обхвата е модулът на ред 10, предвиден за IEEE802.11a/b/g/n и Bluetooth BR/EDR/LE. Има вградено WLAN радио, управлява се с интерфейсите SDIO и UART и има 16 извода GPIO. Модулът от ред 11 е предназначен за безжични компютърни мрежи и е с една ИС. Има два обхвата с различни Pinmin и Pout, като и двете зависят от скоростта на обмен на данни. Ползва IEEE 802.11a/b/g/n, а двете външни антени работят според технологията 2x2 MIMO.

За работа с външен mP, ползващ RTOS, е серията модули на ред 12, два от които са с вградена антена и два – с външна. Последните имат два антенни входа. Серията е ориентирана към автоматизация на индустриални и офис сгради, търговски обекти, битови и медицински прибори. Работи с IEEE 802.11 b/g/n, управлението се осъществява с интерфейсите SDIO и SPI.

Многобройни са приложенията на модула от ред 13 за сградна и индустриална автоматизация, охранителни и пожароизвестителни системи, безжични сензорни мрежи и за реализация на автоматични измервателни уреди. Работи с SPI и има четири GPIO. Модулът на ред 14 е с една от типичните вградени антени, като съществува и разновидност с външна антена, за свързване на която в корпуса има цокъл, а размерите й са по-малки от дадените в табл. 2. Модулът от ред 15 се препоръчва за дистанционно управление и свързване на сензори, като при пряка видимост има обхват на покритие 3000 m. Последният модул в табл. 2 отново е с една ИС и има аналогични разновидности с дадения на ред 13. Работи с IEEE 802.11a/b/g/n/ac и се управлява с Bluetooth, USB 1.1 и WLAN USB 2.0. Разполага с драйвери за операционните системи Linux, Windows 10 и Android.

 

Модеми

Съвременните радиомодеми (Radio Modem) ползват добре познатото преобразуване на аналогови сигнали в цифрови за обработка и/или съхранение от компютър. Освен безжична връзка някои модели, например даденият на ред 3 в табл. 3, могат да установяват и проводникова връзка чрез свързване на коаксиален кабел към един от изводите им за антена. Друга особеност е осигуряването на двупосочна връзка, за да може в определени случаи компютърът да променя параметрите или начина на функциониране на източника на сигнали или на устройството, в което е поставен. Например за поддържане на температурата в помещение трябва компютърът да може да регулира мощността на радиаторите или оборотите на вентилаторите, а в автоматизирани системи да задейства релета. Именно двупосочната връзка заедно с начина на формиране на цифровите сигнали и използването на интерфейси са причините често да не се прави разлика между модеми и приемо-предаватели.







Скоростта на обмен на данните от модемите обикновено е до няколко десетки kbps, но има и модели до няколко Mbps. Към тези скорости се прибавя и осъществяването на връзките за кратки интервали от време, което означава малък обем на обменяните данни. Например модемът на ред 2 в табл. 3 се препоръчва за месечен обем до 5 МВ. Няма никакви ограничения на осигурявания от модемите обхват на покритие – той е от комуникации на близко разстояние (NFC), през мрежи с ретранслатори (Relay Station) до облачни технологии. Към показаните на фиг. 3 приложения се прибавят контролът на мостове и тунели, на нивото на водата в реки и язовири и на състоянието на свлачища. Част от най-новите модели имат и специфични приложения, обусловени от структурата им.

В табл. 3 са събрани основните параметри на няколко радиомодема. Даденият на ред 1 е с UART, има 8 I/O извода и обхват на покритие 600 m. Модемът на ред 2 е предвиден за клетки, работещи с теснолентова IoT (NB-IoT) и LTE-M за 4G мрежи. Обменът на данни се осъществява чрез SPI, UART и USB, а изводите I/O работят с USB, I2C и Bluetooth. Модемът съдържа още 10-битов АЦП, RAM и Flash. В модема на ред 3 към NB-IoT и LTE-M са прибавени Bluetooth v.5 и NFC, а областите на приложение са IoT, свързване на медицински уреди, следене на параметрите на околната среда и т. н. Той работи с I2C, SPI, UART и USB 2.0 FS и има 18 I/O извода.

 

Специализирани радиомодули

Те не притежават универсалния характер на модулите от предния раздел, тъй като са предназначени само за определен тип двупосочни връзки. Микроконтролерът винаги е вграден и с малки изключения съдържат памети, обикновено RAM и Flash.

Модули за обмен на данни от интерфейси. Това е най-голямата група с предназначение безжичен обмен между устройства на данни, формирани в съответствие с един или няколко интерфейса. От дадените в табл. 4 модули за работа с USB е този на ред 2 с фирмени наименования USB Gateway и 300 (OFM) и оформление като "флашка". Предвиден е за кратки съобщения на компютри и битови прибори (вкл. малки сървъри) чрез Интернет и DSL. За един интерфейс е модулът на ред 5 с препоръчвани приложения в сградна автоматизация, медицински прибори, за осъществяване на връзки на неголеми разстояния (Proximity Services). Управлението е с SPI и UART, а в документацията му се дават схеми за приложение.




Модулът от ред 6 е основно за автоматизация в жилищни сгради, устройства със захранване от околната среда, събиране на данни от сензори и ключове. Управлението е с I2C, SPI и UART. Има вградени сензори за температура и захранващо напрежение. За ползване на няколко интерфейса и на устройства с аналогови изходни сигнали е модулът от ред 7. Сред многобройните му приложения са IoT (вкл. в индустрията), мултимедийни и битови прибори, сградна автоматизация, охранителни камери, измервателни и медицински прибори, събиране на данни от капацитивни сензори с докосване и др. Работи с IEEE802.11b/g/n и Bluetooth, а сред интерфейсите за управление са I2C, I2S, SPI и USART. С основно приложение в осветителни системи е модулът на ред 9, но се ползва и в други системи за сградна автоматизация и охрана, IoT, измервателни прибори и др. Снабден е с интерфейси I2C, SPI, UART и специализирания Smart Card Interface. Модулът на ред 10 е мрежов процесор (Network Processor) за облачни връзки чрез Интернет и много други приложения. Управлението е с I2C, SPI и UART.

За разлика от разгледаните дотук модули даденият на ред 4 е предназначен за обмен на данни от четири цифрови входно-изходни извода SDIO с ползване на обхватите 2,4 и 5 GHz. Модулът на ред 10 с наименование Stand-alone multiradio е предназначен за обмен на данни от интерфейси CAN, I2C, Quad SPI, RMII, SPI  и UART и от изводите GPIO и SDIO, а за радиосигналите се ползват дадените в колона 4 на табл. 4. Сред препоръчваните приложения са IoT, Bluetooth и BLE мрежи, индустриални и медицински прибори.

Модули за звукови сигнали (Audio Module). Предназначени са за обмен на говор и евентуално музика и по принцип са двупосочни. Типични приложения са за конферентни връзки, за екскурзоводи при разглеждане на забележителности и др. под. На ред 1 в табл. 4 е двойката предавател-приемник с обхват на покритие 50 m, честотна лента на звука 50Hz-15kHz и еднакви размери и тегло на двата модула. Броят на каналите позволява едновременно общуване на 15 души. Съществуват и модули за обмен на данни между интерфейси с допълнителна възможност за звукови сигнали (Wireless Audio), например в безжични слушалки (Wireless Audio Headset). Такива са дадените на редове 7 и 9 в табл. 4.

Модули с различни приложения. Модулацията LoRa на Semtech позволи създаването на LoRa Wireless RF Technology, която реално се превърна в такава за IoT. За ползването й има голям набор от интегрални схеми и модули. Пример за последните е даденият на ред 3 в табл. 4, в който към LoRa за радиовръзки (LoRa Radio Link) е прибавена BLE. Това определя множество приложения, сред които са обществени и частни мрежи, осветление, сградна и индустриална автоматизация, връзки на далечно разстояние за захранвани от батерии сензори. Обхватът на покритие на LoRa е 15 km, а на BLE – 100 m. Управлението е с I2C, SPI и UART. Модулът на ред 11 е за свързване на прибори с дистанционно управление и на сензори, като обменяните данни са с обем до 128В и възможност за адресирането им. Предават се и т.нар. телеграми (RF telegram) с обем 16 В, като те автоматично се повтарят при липса на потвърждение за приемането им. Управлението на модула е с UART.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top