Беспроводные трансиверы TI для диапазона частот до 1 ГГц


PDF версия

В новый 2012 г. компания Texas Instruments вступает с существенно расширенной линейкой беспроводных трансиверов диапазона частот до 1 ГГц. К популярному (а в России еще и самому продаваемому) трансиверу CC1101 добавились две новые линейки: CC11xL (Value Line) для критичных к цене приложений и высокопроизводительные трансиверы CC112x (Performance Line) для приложений, в которых требуется повышенная помехоустойчивость и дальность передачи.

В последние годы наметилась тенденция производителей решений для беспроводной передачи данных (как интегральных, так и модульных) активно использовать частотный диапазон 868 МГц для систем промышленной автоматики, учета энергоресурсов, систем охранно-пожарной безопасности, дистанционного управления уличным освещением, а также «умных домов». Эта тенденция выражается не только в выпуске на рынок самих аппаратных решений, поддерживающих диапазон частот до 1 ГГц, но и в создании специализированных протоколов, рассчитанных именно на диапазон 868 МГц. К таким протоколам можно отнести: проприетарный протокол TI SimpliciTI, Wireless M-Bus, KNX-RF, 6LoWPAN.
Перед тем как приступить к детальному описанию предлагаемых решений, мы рассмотрим основные преимущества и недостатки использования частотного диапазона до 1 ГГц и, в частности, вблизи 868 МГц:
– в диапазоне 433 МГц работает большое количество охранных устройств сигнализации, пожарно-охранных систем;
– в диапазоне 2,4 ГГц работает большое количество таких устройств как компьютеры и беспроводное сетевое оборудование, беспроводные наушники, гарнитуры, системы типа «умный дом»;
– сигналы с частотами менее 1 ГГц меньше подвержены влиянию препятствий в виде стен, домов, деревьев;
– при равных мощностях уменьшение частоты пере-дачи в два раза примерно во столько же раз уве-личивает дальность приема (согласно формуле Фриза).
– К недостаткам диапазона до 1 ГГц по сравнению с 2,4 ГГц можно отнести:
– узкий диапазон частот вблизи 868 МГц (не требующий лицензирования); как следствие — малое число частотных каналов;
– большие размеры используемой антенны.
Благодаря появлению узкополосного трансивера CC1120 в линейке Performance Line первый недостаток можно легко преодолеть. Что касается габаритов антенны, то с появлением компактных керамических антенн для диапазона 868 МГц (например, 0868AT43A0020 от компании Johanson Technology) этот недостаток уже не является таким серьезным.

Приемопередатчики CC1101

В основе новых беспроводных решений TI в рассматриваемом диапазоне находится хорошо зарекомендовавшая себя архитектура многоканального приемопередатчика CC1101 (см. рис. 1) с выходной мощностью до 12 дБм, чувствительностью –112 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных до 600 Кбит/с с управлением по интерфейсу SPI [5].

 

Рис. 1. Упрощенная структура приемопередатчика CC1101

Благодаря встроенному частотному синтезатору этому приемопередатчику, работающему в диапазонах 300…348, 387…464, 779…928 МГц, требуется лишь несколько пассивных компонентов. Приемопередатчик поддерживает несколько режимов частотной и амплитудной модуляции — 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK и OOK, ASK. Он характеризуется малыми временами выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема или передачи (всего 240 мкс) и имеет функцию установления частоты синтезатора (75 мкс), что позволяет использовать приемопередатчик в системах с перестройкой частоты (FHS). Поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment, CCA), имеется программируемый индикатор несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) (для отдельного пакета) и при помощи индикатора качества связи (LQI) (в целом по статистике успешного/неуспешного приема пакетов).
СС1101 ориентирован на применение в системах с пакетной передачей данных, имеет аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Также имеются два раздельных 64-байтных FIFO-буфера на прием и передачу (настраиваемый индикатор заполнения/опустошения буфера).

Кодовое усиление как средство повышения надежности связи

Для уменьшения количества ошибок при приеме/передаче данных в CC1101 применяется блок защиты от ошибок (Forward Error Correction, FEC) работающий по принципу избыточного кодирования [4, 5].
Кодирование реализовано при помощи сверточного нерекурсивного кодера (см. рис. 2) постоянной длины (4) с частотой потока ½ (один входной бит порождает один двухбитовый кодовый символ).
Поскольку сверточное кодирование лучше всего работает в условиях случайного появления ошибки в передаваемой/принимаемой битовой последовательности, а природа ошибок в радиоканале чаще всего способствует повреждению нескольких последовательно передаваемых битов, при передаче/приеме дополнительно используется блок перемежения/деперемежения. В CC1101 для перемежения используется матрица 4×4 — по одной ячейке на кодированный выходной бит. Полная схема работы блока защиты от ошибок представлена на рисунке 3.

 

Рис. 2. Структура сверточного кодера

Рис. 3. Схема работы блока защиты от ошибок

Следует учитывать, что применение FEC ведет к падению фактической скорости передачи в два раза. Для сохранения прежней скорости передачи данных необходимо удвоить битовую скорость (или перейти от двоичного кодирования к четвертичному), что в ряде случаев может потребовать увеличения ширины частотного канала.
Режим Wake-on-Radio в приемопредатчиках CC1101
Приемопередатчик CC1101 является достаточно энергоэффективным решением. Так, токи потребления в режиме приема лежат в пределах 14…17 мА, токи в режиме передачи 15…35 мА в зависимости от заданного уровня выходной мощности и частотного диапазона. CC1101 имеет несколько режимов низкого энергопотребления в диапазоне 0,2…200 мкА в зависимости от задействованных узлов [4, 6].
В дополнение к этому реализован специальный режим работы — пробуждение по радиосигналу (Wake-on-Radio, WOR). В данном режиме радиоприемная часть CC1101 периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер, тактируемый от внутреннего RC-генератора и периодически генерирующий два сигнала — включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора (Event0) — режим IDLE и, через некоторое время, включение режима приема (Event1) — RX. Если в течение установленного времени пакет не пришел, приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем в режим SLEEP. Момент срабатывания Event0 отслеживается на одном из выводов GDOx (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Принцип работы режима Wake-on-Radio

На рисунке 5 показаны уровни потребления тока в режиме WOR.

 

Рис. 5. Распределение потребления тока при работе в режиме Wake-on-Radio

Если пакет пришел, работа устройства в режиме приема продолжается до окончания приема пакета. После этого внешний контроллер должен обработать пакет и перевести приемопередатчик в режим SLEEP командой SWOR. Следует учитывать два факта:
– данные пакета теряются при переходе в режим SLEEP;
– время на прием, обработку пакета и перевод в спящий режим должно быть меньше периода генерации таймером WOR сигнала Event0.
Применение режима WOR позволяет в несколько раз снизить ток потребления при работе системы на прием пакетов.
CC1101 выпускается в малогабаритном низкопрофильном корпусе QLP20 (4×4 мм).
Дальнейшее развитие серии привело в 2011 г. к появлению двух линеек продукции — Perfomance Line и Value Line. Первая ориентирована, прежде всего, на приложения с высокой производительностью, требующие широкого спектра аппаратных возможностей для работы в самых разнообразных условиях. Вторая — линейка недорогих устройств, рассчитанных на массовое применение.
В линейке Perfomance представлены: узкополосный (12,5 кГц) многоканальный приемопередатчик CC1120 и модифицированный приемопередатчик CC1121.
В линейку Value вошли приемопередатчик СС110L и отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L — бюджетные микросхемы, совместимые с приемопередатчиками CC1101.

Основные особенности семейства CC11xL

CC110L (см. рис. 6) — приемопередатчик для частотных диапазонов 300…348 МГц, 387…464 МГц, и 779…928 МГц, основанный на CC1101 с аналогичными характеристиками производительности радиотракта [8, 9]. Имеет аппаратную поддержку обработки пакетов (детектирование синхрослова, автоматический подсчет контрольной суммы), буферизации данных (FIFO-буферы по 64 байта на прием и передачу), непрерывной передачи больших объемов данных. Наилучший показатель чувствительности составляет –116 дБм при скорости передачи данных 0,6 Кбит/с. Скорость передачи данных варьируется в пределах 0,6–600 Кбит/с.

 

Рис. 6. Структура приемопередатчиков серии CC110L

Приемопередатчик поддерживает частотную (2-FSK, 4-FSK, GFSK) и амплитудную (OOK) модуляции сигнала. Время выхода из режима низкого энергопотребления (ток потребления ~200 нА) в режим приема или передачи составляет порядка 240 мкс. Отсутствие режима пробуждения по наличию радиосигнала и блока коррекции ошибок несколько снижает функциональность устройства, но зато положительно сказывается на его цене. Отсутствует также аналоговый датчик температуры.
CC110L повыводно и схемотехнически совместим с CC1101 и выпускается в таком же корпусе — QLP20 (4×4 мм).
Для случаев, когда поток данных — только однонаправленный, идеально подойдут отдельные микросхемы приемника CC113L и передатчика CC115L, полностью совместимые с CC110L и имеющие еще меньшую стоимость [10–13].

Основные особенности семейства CC112x

Изделия серии CC112x [14–17] являются усовершенствованными версиями приемопередатчика CC1101. Модификация коснулась и радиотракта, и цифровой части, и режимов работы. В результате получился экономичный, высокоизбирательный, высокочувствительный приемопередатчик, что позволяет применять его в условиях высокого уровня шума, плотного использования радиоканала, при высоком уровне интерференционных помех или больших расстояниях между узлами.
Высокопроизводительные многоканальные приемопередатчики CC112х (см. рис. 7) обладают максимальной выходной мощностью до 16 дБм, чувствительностью –123 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных в диапазоне 1,2…200 Кбит/с с управлением по интерфейсу SPI. Выходная мощность регулируется с шагом 0,5 дБм, а чувствительность может быть повышена до –125 дБм за счет схемы кодового усиления (один информационный бит кодируется четырьмя чипами). Все это позволяет увеличить максимальную дальность передачи на расстояния до 10 км.

 

Рис. 7. Упрощенная структурная схема приемопередатчиков CC112x

Основой приемопередатчика является встроенный частотный синтезатор с низким уровнем фазовых шумов, что способствует высокой избирательности системы.
Приемопередатчик способен работать в частотных диапазонах 164…192, 410…480, 820…960 МГц. Поддер­жи­ва­ются режимы модуляции 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK и аналоговая частотная модуляция. По сравнению с СС1101, в новых приемопередатчиках уменьшено до 150 мкс время выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема. Также поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment, CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема можно оценить при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) с высокой степенью линейности в широком диапазоне.
СС112х имеют функции аппаратной поддержки детектирования синхрослова, проверки адреса, автоматического подсчета длины пакета и вычисления контрольной суммы. Добавлена поддержка ретрансляции пакетов, автоматическая отправка подтверждения принятия пакета. Размеры приемного и передающего буфера увеличены до 128 байт каждый, что упрощает передачу больших объемов данных.
Следует отметить, что в сигнальном тракте СС112х используются цифровые фильтры, обеспечивающие высокую стабильность параметров независимо от напряжения питания и температуры. Благодаря фильтрам обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала — более 80 дБ (65 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 12,5 кГц, 90 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 10 МГц). Это позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона или при большом количестве устройств на одной территории. А это, в свою очередь, повышает совместимость систем, использующих СС112х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал, и упрощает процесс установки.
Версия СС1120 позволяет использовать ширину канала менее 12,5 кГц, например, при скорости 4,8 Кбит/c ширина канала может достигать всего 6,25 кГц.

Новый режим Sniff Mode

В серии СС112х улучшен режим пробуждения для прослушивания канала (пробуждение по наличию радиосигнала) — уменьшено энергопотребление 32-кГц RC-таймера, обеспечивается возможность автоматической калибровки таймера.
Важным дополнением к энергосберегающим режимам приемопередатчика стал новый режим прослушивания радиоканала (т.н. Channel Sniff Mode). Приемнику в СС112х требуется всего лишь время четырех битов преамбулы пакета для установления режима, включая компенсацию смещения частоты и автоматическую регулировку усиления. В режиме прослушивания возможность быстрой установки комбинируется с преамбулой большей длины для автоматической периодической проверки наличия сигнала. В этом режиме приемник автоматически через короткие промежутки времени проверяет наличие передачи в канале, после чего отключается, и в следующем периоде времени ситуация повторяется.
Режим прослушивания канала абсолютно прозрачен для пользователя, никак не влияет на характеристики приемопередатчика (чувствительность, избирательность) и позволяет уменьшить энергопотребление в режиме приема. Конечно, среднее потребление в режиме приема зависит от текущей скорости передачи и длины преамбулы, но выигрыш заметен даже при больших скоростях. Так, применение данного режима при длине преамбулы 4 бита на скорости 1,2 Кбит/с снижает потребление на приеме с 21 до 3 мА, а на скорости 50 Кбит/с — до 16 мА.
Некоторые сравнительные характеристики приемопередатчиков серий СС1101, СС110L, CC112x представлены в таблице 1 [9, 11, 15, 17].

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики приемопередатчиков серий СС1101, СС110L, CC112x

Параметр

CC1101

CC110L

CC1121

CC1120

Чувствительность, дБм

–116

–116

–120

–123

Подавление соседнего канала (±100 кГц), дБм

37

35

48

52

Максимальная выходная мощность, дБм

12

10…12

14…16

14…16

Частотные диапазоны, МГц

300…348

387…464

779…928

300…348

387…464

779…928

164…192

410…480

820…960

164…192

410…480

820…960

Минимальная ширина канала, кГц

50

50

50

12,5

Максимальная ширина канала, кГц

800

800

250

250

Максимальная скорость передачи, Кбит/с

600

600

200

200

Режимы модуляции

2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK

2-FSK, 4-FSK, GFSK, OOK

2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK, FM

2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK, FM

Режимы работы приемника

Обычный, Wake-on-Radio

Обычный

Обычный, Wake-on-Radio, Sniff Mode

Обычный, Wake-on-Radio, Sniff Mode

 

Отладочная платформа TRXEB

Для оценки возможностей приемопередатчиков серий СС110L предлагается отладочный набор CC110LDK-868-915 [18], содержащий:
– две платы TRXEB;
– два модуля с приемопередатчиками CC110L, по одному оценочному модулю с передатчиками CC115L и приемниками CC113L;
– комплект соединительных кабелей и документации (см. рис. 8).

 

Рис. 8. Отладочный набор CC110LDK-868-915

Оценочные модули представляют собой печатные платы с установленными беспроводными устройствами, спиральными антеннами и разъемами для подключения внешней антенны.
Плата TRXEB содержит микроконтроллер MSP430F5438 MCU, светодиодные индикаторы, разъемы для подключения внешних устройств, оценочных модулей, набор кнопок, индикатор освещенности, трехосевой датчик ускорения, точечный жидкокристаллический экран 128×64 точки. В качестве примера в TRXEB предустановлен тест канала передачи данных на ошибки передачи (PER test) и тест на дальность связи; предоставляются также исходные тесты демонстрационной программы. Подключение к персональному компьютеру осуществляется через USB-интерфейс.
Для оценки возможностей приемопередатчика CC1120 предусмотрен отладочный набор CC1120DK [19], состав которого отличается от CC110LDK-868-915 тем, что вместо модулей на чипах CC11xL в набор входят модули на CC1120.

CC110L Air Module BoosterPack

Для быстрого старта разработки бюджетного решения на базе CC110L компания TI предлагает набор-дополнение к ставшей уже популярной отладочной платформе LaunchPad (MSP-EXP430G2) для микроконтроллеров семейства MSP430G2xxx. Данный набор (430BOOST-CC110L) включает в себя две платы с установленными радиомодулями на базе CC110L, а также программное обеспечение на CD-диске для быстрого построения соединения точка-точка и построения сетей типа «звезда».

Литература
1. Системы контроля энергетической эффективности и комплексный учет энергоресурсов//http://processautomation.ru.
2. Sub-1 GHz Wireless Connectivity//http://focus.ti.com.
3. SimpliciTI™ — RF software protocol//www.ti.com.
4. http://processors.wiki.ti.com.
5. CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver//http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc1101.pdf.
6. FEC Implementatio//http://focus.ti.com/lit/an/swra113a/swra113a.pdf.
7. CC1100/CC2500 — Wake-On-Radio//http://focus.ti.com/lit/an/swra126b/swra126b.pdf.
8. Proprietary RF — Sub-1 GHz — CC110L//http://focus.ti.
9. Value Line Transceiver//http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc110l.pdf.
10. Proprietary RF — Sub-1 GHz — CC113L//http://focus.ti.com.
11. CC113L Value Line Receiver//http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc113l.pdf.
12. Proprietary RF — Sub-1 GHz — CC115L//http://focus.ti.com.
13. Value Line Transmitter//http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc115l.pdf.
14. Proprietary RF — Sub-1 GHz — CC1120//http://focus.ti.com.
15. High Performance RF Transceiver for Narrowband Systems//http://focus.ti.com.
16. Proprietary RF — Sub-1 GHz — CC1121//http://focus.ti.com.
17. High Performance Low Power RF Transceiver//http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc1121.pdf.
18. Value Line Development Kit 868-915MHz//http://focus.ti.com.
19. Performance Line Development Kit — CC1120DK//http://focus.ti.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *