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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Chip per modem radio. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radiocomunicazioni civili La trasmissione di dati su un canale radio a breve distanza sta diventando sempre più comune nella vita di tutti i giorni. I "tasti radio" per gli allarmi delle auto e il controllo remoto di vari oggetti sono già diventati comuni, i "topi radio" e le "tastiere radio" dei computer, ecc. Questo articolo introdurrà i lettori a microcircuiti specializzati progettati per risolvere tali problemi. Fino a poco tempo fa, chiunque vedesse per la prima volta il lato "posteriore" dell'unità di sistema di un computer operativo rimaneva stupito dalla rete di fili e cavi ad esso collegati, che andava a un numero considerevole di dispositivi che interagiscono con il computer. L'introduzione del bus USB, che bypassa tutti i dispositivi in serie, semplifica la rete via cavo, ma non risolve del tutto il problema. I tentativi di utilizzare la radiazione infrarossa per la comunicazione tra un computer e la sua periferia non hanno molto successo, poiché è necessaria una linea di vista tra la sorgente e il ricevitore dei raggi infrarossi e il raggio reale di comunicazione affidabile non supera i due metri. Inoltre, i produttori di hardware concorrenti non hanno sviluppato un unico protocollo di scambio dati. Pertanto, la presenza di un adattatore IrDA nel computer non garantisce la possibilità di comunicare con esso con nessuno dei dispositivi dotati di IrDA. Recentemente, l'idea di organizzare una connessione "vicina" tra computer situati in una o stanze vicine e dispositivi che interagiscono con essi (stampanti, scanner, modem, ecc.) tramite un canale radio sta prendendo sempre più piede. Tuttavia, nonostante l'apparente semplicità e ovvietà di tale approccio, ci sono così tante difficoltà nella sua attuazione che il problema non può ancora essere considerato risolto. Almeno, l'obiettivo proclamato da alcuni sviluppatori "aggiungiamo un chip a ogni computer e dispositivo periferico - ed è nella borsa" è ancora molto lontano. Tuttavia, il processo è iniziato. Sono in corso tentativi per sviluppare tecnologie e protocolli comuni per comunicazioni radio computer "locali". I più famosi di questi sono Bluetooth, IEEE 802.11, UWB e Nome RF competono tra loro. Per identificare il vincitore, valutando in pratica i vantaggi e gli svantaggi dichiarati delle tecnologie proposte, sarà nel prossimo futuro. Nel frattempo, i produttori di nodi necessari per la comunicazione su qualsiasi protocollo - microcircuiti di ricetrasmettitori a microonde (ricetrasmettitori) - concentrandosi su uno dei protocolli, tuttavia, offrono la possibilità di utilizzarne altri. In questo articolo parleremo di alcuni di questi microcircuiti. Società norvegese BlueChip Communications AS produce microcircuiti a chip singolo di ricetrasmettitori radio BCC418 e BCC918, caratterizzati da micro-consumo di energia, capacità di operare in un ampio intervallo di temperature (da -40 a +85 ° C) e destinati principalmente allo scambio di dati digitali nelle reti radio nelle bande 400 e 900 MHz. Le principali applicazioni di questi ricetrasmettitori sono i sensori remoti utilizzati nell'industria, nei sistemi di sicurezza e nella medicina. Inoltre, possono essere utilizzati in sistemi di monitoraggio ambientale, reti radio di computer a bassa velocità, lettori di codici a barre remoti, cercapersone bidirezionali, ecc. I microcircuiti sono simili nella struttura interna e nei parametri, sono prodotti in contenitori di plastica TQFP-44 (dimensioni 12x12 mm) con disposizione dei pin a quattro lati e differiscono solo per il fatto che BCC418 copre la gamma di 300..600 MHz e BCC918 - 700..1100 Mhz. La frequenza operativa e le altre modalità di funzionamento dei microcircuiti del ricetrasmettitore vengono impostate utilizzando un comando a 80 bit inserito da un codice binario seriale in uno speciale registro del microcircuito. Per garantire la flessibilità di utilizzo di questi microcircuiti, è possibile programmare otto livelli di potenza di uscita del trasmettitore (intervallo - 3 dB, livello massimo - 10 mW), due (per BCC418) o quattro (per BCC918) valori di guadagno degli stadi di ingresso del ricevitore (consente di ridurre la sensibilità di 25 ..33 dB), nonché quattro larghezze di banda LPF (10, 30, 60 o 200 kHz). Altre caratteristiche della costruzione di questi ricetrasmettitori includono l'uso di un metodo di conversione di frequenza diretta nel ricevitore, la presenza di un sintetizzatore di frequenza a due canali con un anello PLL esterno che fornisce una griglia di frequenza molto densa (centinaia di hertz), uscite di il rilevatore di cattura LockDet e il livello del segnale RSSI ricevuto, nonché un filtro passa-basso ellittico a sette poli sintonizzabile incorporato del ricevitore. Per trasmettere le informazioni, viene utilizzata la chiave di spostamento della frequenza portante (FSK) con una deviazione, che viene selezionata in base alla velocità di ricezione / trasmissione dei dati richiesta. Il baud rate massimo supportato dai chip transceiver BCC è 128 kBaud. Per velocità di 9,6 kBaud e inferiori, la deviazione consigliata è ±25 kHz. Con una sensibilità del ricevitore di -105 dBm e antenne omnidirezionali, questo garantisce un raggio di comunicazione in spazi aperti fino a 700 m Tensione di alimentazione nominale - 3 V. Consumo di corrente in modalità di trasmissione - non più di 50 mA, in modalità di ricezione - 8 mA , in modalità standby - meno di 2 uA. L'oscillatore principale del trasmettitore e l'oscillatore locale del ricevitore sono un sintetizzatore di frequenza costituito da un oscillatore controllato in tensione (VCO), due divisori di frequenza programmabili e un PLL. Per stabilizzare la frequenza del sintetizzatore, si consiglia di utilizzare un risonatore al quarzo di alta qualità con una frequenza di 10 MHz. A seconda della velocità di trasferimento dei dati richiesta, i microcircuiti del ricetrasmettitore BCC offrono la possibilità di utilizzare uno dei quattro metodi per manipolare la frequenza del trasmettitore: modificando il fattore di divisione di uno dei contatori del sintetizzatore, commutando tra due divisori di frequenza programmati, modulando (tirando) la frequenza del risonatore al quarzo di riferimento o la modulazione VCO diretta. La parte ricevente è realizzata secondo lo schema della conversione diretta della frequenza e contiene un rilevatore di frequenza digitale. La demodulazione viene eseguita confrontando le fasi del segnale ricevuto nei canali in fase I e in quadratura Q. Se nel canale I è in ritardo rispetto a Q, la frequenza del segnale è superiore alla frequenza dell'oscillatore locale, se è in anticipo, è inferiore. Il cosiddetto "jitter" insito in tali schemi (front jitter) dei dati ricevuti, di norma, non crea alcun problema durante la ricezione di dati digitali, tuttavia, il suo valore deve essere preso in considerazione nei casi in cui il momento dell'arrivo del fronte del segnale è importante. Il jitter diminuisce con l'aumentare della deviazione di frequenza ΔF, mentre il suo valore massimo non supera 1/(4ΔF). Il PLL sintonizza l'oscillatore locale sulla frequenza centrale del segnale, quindi la sequenza di codice trasmessa deve contenere un numero uguale di zeri logici e uno per evitare anomalie. Questo requisito, comune per i sistemi di comunicazione digitale, deve essere preso in considerazione quando si sceglie un metodo per codificare i dati trasmessi. BlueChip Communications consiglia di utilizzare il codice di blocco Manchester o 4BXNUMXB per questo scopo. Per controllare il funzionamento del PLL nei ricetrasmettitori VSS, è possibile utilizzare l'uscita LockDet appositamente fornita, un rilevatore di cattura. La tensione costante all'uscita RSSI è proporzionale al logaritmo della potenza del segnale all'ingresso del ricevitore e questa dipendenza è mantenuta su un intervallo dinamico di circa 70 dB. Un tipico circuito per l'accensione del chip BCC418 è mostrato in fig. 1. Varicap D1 e il suo ambiente - elementi VCO e PLL. Il risonatore al quarzo ZQ1, come già accennato, imposta la frequenza esemplare. Gli induttori e la maggior parte dei condensatori sul lato destro del circuito sono inclusi nel circuito a microonde per far corrispondere l'ingresso e l'uscita del ricetrasmettitore con l'antenna WA1. Il circuito R15D3L3D2 viene utilizzato per commutare l'antenna sull'ingresso del ricevitore o sull'uscita del trasmettitore del chip del ricetrasmettitore.
I moduli a microonde RFB418, RFB918 e RFB433 sono prodotti sulla base dei microcircuiti BCC868 e BCC915, costruiti secondo schemi simili a quello discusso sopra (Fig. 1). Hanno una dimensione di circa 25x25x3 mm e dispongono di terminali adattati per il montaggio superficiale. I moduli sono ottimizzati (configurati dal produttore) per una velocità di trasmissione di 19,2 kBaud e funzionamento, rispettivamente, nelle bande ISM 433,4 ... 434,4 MHz, 868,8 ... 869 MHz e 903 ... 927 MHz, mentre possono operare su una gamma di frequenze più ampia. Un'antenna adattata (con un'impedenza di alimentazione di 50...100 Ohm) può essere collegata direttamente ai moduli, senza ulteriori elementi a microonde. L'abbreviazione ISM è utilizzata per designare le gamme destinate al funzionamento sulla radiazione di apparecchiature per scopi industriali (industriali), scientifici (scientifici) e medici (medici). In Europa e negli Stati Uniti non è richiesta alcuna licenza per operare su queste bande. BlueChip Communications offre agli sviluppatori hardware schede di debug (kit di valutazione, un set di 2 pezzi) contenenti un modulo a microonde, un'antenna stampata e un microcontrollore PIC16LC63A. Utilizzando il software fornito con le schede, è possibile organizzare il trasferimento dati bidirezionale tra due computer remoti fino a 300 m di distanza e verso un'antenna abbinata esterna. Il radio modem è configurato per una velocità dati di 433 kBaud e utilizza dieci frequenze operative nell'intervallo 232...6 MHz, scansionate automaticamente a una velocità di 9 ms. Altre aziende producono anche ricetrasmettitori ISM. Ad esempio, Texas Instrument produce chip TRF6900 e TRF6901 nel pacchetto PQFP-48. Il primo copre la banda di frequenza 850...950 MHz, il secondo - 860...930 MHz. Potenza del trasmettitore - 3 mW, figura di rumore del ricevitore - 3,3 dB. L'interfaccia del ricetrasmettitore digitale esterno è orientata al microcontrollore MSP430 della stessa azienda. La società americana Atmel Corporation, nota per i suoi chip di memoria e microcontrollori, non si è fatta da parte. . Essendo entrata a far parte della Bluetooth Association (a proposito, il nome deriva dal soprannome del re Harald, che governò la Danimarca e la Norvegia nel X secolo), sviluppò una serie di microcircuiti a supporto di questo protocollo. Il più complesso è il controller del protocollo AT76C511. Basti pensare che è realizzato in un package da 176 pin, contiene un core di calcolo RISC ARM32TDMI a 7 bit, e per svolgere tutte le funzioni fornite dal Bluetooth richiede 256 KB di RAM esterna e altrettanti FLASH o altro Memoria non volatile. Per comunicare con un computer, il chip AT76C511 è dotato di tre diverse interfacce: USB, PCMCIA e un emulatore UART 16550. In futuro, è previsto il rilascio di versioni semplificate, ognuna delle quali avrà una sola interfaccia. Il controller organizza la comunicazione radio "comandando" il modulo a microonde, il microcircuito T2901 della stessa azienda. La comunicazione avviene su 79 frequenze fisse nella gamma 2400...2500 MHz. Secondo il protocollo Bluetooth, la frequenza operativa cambia bruscamente ogni 625 µs e la legge del cambiamento è nota agli abbonati che hanno stabilito una connessione ed è imprevedibile per gli altri. Di conseguenza, due o più canali di comunicazione, che operano contemporaneamente nella stessa banda di frequenza, non interferiscono tra loro. I rari guasti causati dalla coincidenza casuale a breve termine delle frequenze del trasmettitore vengono rapidamente eliminati dal sistema multilivello di codifica dei dati di correzione degli errori e correzione degli errori forniti dal protocollo. È vero, il tasso di scambio dati "netto" di 1 Mbps viene ridotto di circa il 20%. Un circuito tipico per l'accensione del chip T2901 è mostrato in fig. 2, i numerosi condensatori di bypass da 4,7 pF collegati a tutti i pin di alimentazione e controllo non sono mostrati. Il segnale della frequenza di riferimento viene applicato al pin 1 (CLK). È possibile selezionare a livello di codice uno dei quattro valori possibili. Potenza del trasmettitore - 1 mW. Le informazioni vengono trasmesse mediante spostamento della frequenza portante con una deviazione nominale di ±160 kHz. Il segnale modulante può essere prefiltrato utilizzando il filtro passa-basso gaussiano incorporato. Questo filtro viene attivato e disattivato dall'interruttore SW1.
Il ricevitore in questo caso è una supereterodina convenzionale con una frequenza intermedia di 111 MHz. La sua cifra di rumore è di 12 dB. La selettività è fornita dal filtro SAW F1, circuiti oscillatori con bobine L2 e L3 - elementi dell'IF e discriminatore di frequenza. Il transistor Q1 fa parte del regolatore di tensione interno. La corrente consumata dal microcircuito è quasi indipendente dalla modalità di ricezione / trasmissione, pari a circa 60 mA, e solo in modalità standby diminuisce a decine di microampere. Una caratteristica interessante del dispositivo a microcircuito T2901 è che il segnale del trasmettitore viene generato a una doppia frequenza (4800 ... 5000 MHz), che viene divisa per due prima di essere inviata all'uscita. Anche il demodulatore del ricevitore funziona a metà della frequenza intermedia, 55,5 MHz. Per aumentare la potenza di uscita e la sensibilità del ricetrasmettitore T2901, Atmel offre microcircuiti aggiuntivi per un amplificatore di potenza a microonde (T7023) e un amplificatore simile combinato con un ingresso a basso rumore (T7024). La loro caratteristica è la presenza di un ingresso speciale per la regolazione della potenza di uscita, che consente di accendere e spegnere agevolmente il trasmettitore, impostare il livello minimo di potenza del segnale emesso sufficiente per mantenere la comunicazione. Queste misure riducono al minimo l'interferenza creata da altri canali di comunicazione operanti nella stessa portata. La potenza di uscita di entrambi i microcircuiti è di 200 mW, la cifra di rumore del microcircuito T7024 non è superiore a 2,3 dB. Autore: A. Dolgiy, Mosca
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