CC BY
67Компоненты и технологии, № 2'2005
Приемопередатчики
норвежской компании Chipcon
В настоящее время большим спросом пользуются системы управления различными устройствами и технологическими процессами по радиоканалу. Беспроводные технологии позволяют в короткие сроки развернуть сеть и уменьшить стоимость системы в целом. Ряд компаний: RFM, Infineon, Nordic, Xemics, Atmel выпускают радиочастотные приемопередатчики для построения локальных сетей. Среди разработчиков и производителей одно из лидирующих мест принадлежит норвежской компании Chipcon.
Сергей Орлов
sergey_orloff@macroteam.ru
-Є
В:
спектре продукции компании СЫрсоп есть простые трансиверы на фиксированные частоты, а также микросхемы с синтезатором, которые позволяют изменять рабочую частоту или организовать передачу со скачками частоты. Конечно, данные можно передавать в рамках любой из существующих беспроводных систем, но стоимость таких услуг существенно зависит от стоимости самой системы и услуг, предоставляемых службой. На рис. 1 по оси У отложена условная стоимость передачи данных, а по оси Х — скорость передачи. Понятно, что для передачи сравнительно низкоскоростных телеметрических потоков использовать сети третьего поколения нерентабельно.
Для организации корпоративных локальных сетей в ряде стран выделены диапазоны частот, для ко-
2G (GSM) 3G (UMTS)
' High rate WLAN/
Л \ UIBAU .
Bluetooth/WPAN
Telemetry
Рис. 1
торых не требуется лицензирование при условии, что мощность передающих устройств не превосходит единиц мВт. В России это 433,92 МГц (полоса 1,7 МГц), в Европе — 868-870 МГц, в США —
Таблица 1. Микросхемы Chipcon в диапазоне до 1 ГГц
Таблица 2. Микросхемы Chipcon в диапазоне до 1 ГГц
Название CC400 CC900 CC1000 CC1050 CC1010 CC1020
Функция п/п п/п п/п п п/п п/п
Диапазон частот, МГц 300 4 00 8004000 3004000 3004000 3004 000 402470/ 804 4 40
Питание, В 2,74,3 2,74,3 2,14,6 2, і 6 2,74,6 2,34,6
Потребление (ма), прием/передача, при 0 дБм 18,0/29,0 23,0/54,0 7,4/10,4 Нет/9,1 13,1/14,4 17,3/13,7
Скорость, кбит/с 9,6 9,6 76,8 76,8 76,8 153,6
Формат модуляции ЧМ ЧМ ЧМ/АМ ЧМ/АМ ЧМ/АМ ЧМ/АМ/ГЧМ
Чувствительность приемника, дБм 412 410 410 нет 407 421
Управление выходной мощностью, дБм 4 to 14 40 to 4 40 to 10 40 to 12 40 to 10 40 to 10
Многоканальность/скачки частоты V V V V V V
Индикация уровня принимаемого V нет V V
сигнала
Синхронизация в канале приема і і V нет V V
Внутренний РЧ-переключатель/ V V V V V V
встроенный фильтр ПЧ
Антенна Штырь Штырь Штырь Штырь Штырь Штырь
Корпус SSOP-28 SSOP-28 TSSOP-28 TSSOP-24 TQFP-64 QFN-32
Совместим со стандартами ЕЙ 300 220 и РОС СРк 47, часть 15 V V V V V V
Полоса пропускания (12,5/25 кГц) і і і і і V
Встроенный микроконтроллер і і і і V 8051 ядро і
Название CC1070 CC1021
Функция п п/п
Программирование частоты, МГц 402 4 70/ 804 4 40 402470/ 804 4 40
Напряжение питания, В 2, і 6 2,34,6
Потребление тока (прием) @ 0 дБм(пер), мА NA 15,5/18,5 17,3/17,6 13,7/21,9
Скорость передачи, гбит/с 153,6 153,6
Модуляция ЧМ/ГЧМ/ АМ/ключ ЧМ/ГЧМ/ АМ/ключ
Чувствительность приемника (ЧМ), дБм нет 413
Управление выходной мощностью, дБм 40 to 10 40 to 10
Многоканальность/скачки по частоте V V
Индикация уровня принимаемого сигнала нет V
Встроенная синхронизация Нет V
Встроенный РЧ-переключатель/ внутренний фильтр ПЧ V V
Антенна Штырь Штырь
Корпус QFN-20 QFN-32
Совместим с ЕЙ 300 220 и РСС СРк 47, часть 15 V V
Полоса канала (12,5/25 кГц) V і
Встроенный микроконтроллер і і
Сокращения: п/п — приемопередатчик, п — передатчик, ГЧМ — Гауссова ЧМ * 3,6864 МГц внешний кварц
166
Сокращения: п/п — приемопередатчик, п — передатчик, ГЧМ — Гауссова ЧМ
-----www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 2'2005
Таблица 3. Микросхемы Chipcon для диапазона 2,4 ГГц
Название CC2400 CC2420
Функция п/п п/п
Управление частотой, МГц 2400~2483 2400-2483,5
Точность установки частоты, МГц 1
Внутреннее напряжение питания, В 1,6~2,0
Внешнее питание, В 1,6~3,6 1,6-3,6
Потребление тока (на прием) @ при 0 дБм (на передачу), ма 23,0 19 19,7 17,4
Скорость передачи данных, кбит/с 1000 250
Чувствительность, дБм і101 @ 10 кбит/c и BER = 10"3 і85 @ 1 Мбит/с и BER < 10"3 -94 @ ВЕк< 1 %
Управление выходной мощностью, дБм ~25to 0 -25 1а 0
Многоканальность, скачки по частоте V V
Индикация уровня принимаемого сигнала Цифровая Цифровая
Встроенный синхронизатор бит V V
Поддержка пакетного режима V V
Буферизация битов 32 байта FIFO 128 байт (на передачу) 178 байт (прием)
Внутренний РЧ-переключатель/ Фильтр ПЧ V V
Антенный вход Парафазный
Тип корпуса QLP 48 ОЬР 48
Совместим с ЕЙ 300 220, РСС СРк 47, часть 15 и ЛШ STD-T66 V V
Встроенный микроконтроллер і -
Встроенный стабилизатор і (2,1-3,6 В внешнее питание )
Совместим с 1ЕЕЕ 802.15.4 і V
Аппаратно реализован уровень МЛС цифровая подпись/идентификация і V
Сокращения: п/п — приемопередатчик, п — передатчик, ГЧМ — Гауссова ЧМ
260-470, 902-928 МГц, а также 2,4 ГГц Bluetootch — во всем мире.
Основные применения:
1 — интеллектуальное здание;
2 — промышленный контроль и считывание
информации с датчиков;
3 — удаленная телеметрия;
4 — системы безопасности.
В таблицах 1-3 приведен перечень микросхем, предлагаемых компанией Chipcon.
Микросхемы Chipcon выполнены по суб-микронной КМОП-технологии. Такое решение обеспечивает невысокую стоимость изделия, высокую интеграцию на кристалле, хорошие параметры на высокой частоте.
Построение сетей в ISM-диапазонах имеет следующие преимущества: меньшее потребление по сравнению с работой на более высоких частотах (определяется физикой транзисторов), большие расстояния уверенной радиосвязи (меньше рассеяние радиоволн, меньше потери в эфире и антенно-фидерном тракте, больше влияние дифракции и, следовательно, возможна радиосвязь вне прямой видимости), отсутствие интерференции с Bluetooth. В то же время работа в диапазонах
---------------------www.finestreet.ru -
Компьютеры, оргтехника. Очень большие скорости
Рис. 2
Умеренные или высокие скорости
Системы управления, контроль параметров, низкие скорости
ниже 1 ГГц имеет свои недостатки: одно и то же устройство не может работать в различных странах из-за частотного регулирования в разных государствах.
Построение корпоративной сети в диапазоне 2,4 ГГц имеет свои преимущества: этот диапазон выделен во всех странах. Полоса выделенных частот (83,5 МГц) значительно шире, чем в диапазонах ниже 1 ГГц. Недостатками этого диапазона являются большее потребление электроэнергии, интерференция с другими устройствами, работающими в микроволновом диапазоне, в том числе с Bluetooth.
Для приложений, перечисленных выше, применимы следующие требования, отличающие их от WLAN:
1) чаще всего батарейное питание и, как следствие, требуется очень низкое потребление тока;
2) небольшая цена за один модуль, поскольку их, как правило, много;
3) протоколы передачи данных должны быть не слишком сложными, так чтобы можно было использовать недорогой и экономичный 8-битный микроконтроллер;
4) типичные расстояния 10-100 метров.
В Bluetooth используется очень сложный протокол, типичный терминал в режиме установления соединения потребляет около 150 мА (100 в режиме CONNECT), расстояние обычно не превышает 10 м. В силу вышеуказанных причин технология Bluetooth оказывается неэффективной для сбора данных и неприменимой для удаленных терминалов без стационарного питания. На рис. 2 показано место ISM-сетей в общей структуре локального информационного пространства.
Архитектура современных радиочастотных модулей для цифровой передачи данных
Современный техпроцесс G,35 мкм позволяет создавать недорогие, но достаточно эффективные РЧ-модули. При этом радиочастотная часть занимает меньшую часть всего модуля. Желание минимизировать число внешних компонентов приводит к необходимости использовать гетеродинное решение с нулевой промежуточной частотой. Такой подход позволяет избавиться от внешних ПАБ или монолитных фильтров, стоимость которых составляет десятки процентов от стоимости самого трансивера. Такая схема имеет некоторые преимущества: отсутствие зеркальной частоты, высокая интеграция. Недостатки тоже есть — необходима хорошая синхронизация внутреннего гетеродина, информация содержится в напряжении вплоть до постоянного. На рис. 3 показана структурная схема трансивера с внутренним синтезатором и схемой ФАПЧ.
Применение I/Q-каналов в тракте приема и передачи позволяет улучшить фильтрацию и обработку сигнала, несмотря на то что QAM не используется в этих трансиверах. На рис. 4 показана схема канала приема с синфазным и квадратурным каналами. На рис. 5 показана принципиальная схема трансивера с внешними цепями. Несмотря на то что R/F-переключатель интегрирован на кристалле, рекомендуется использовать дополнительный L/C-фильтр и внешний дополнительный переключатель.
RSSI/IF
Рис. 3 Q Recejver \^\ Transmitter \^\ Synthesiser Control Interface
167
Компоненты и технологии, № 2'2005
e-
AVDD=3V DVDD=3V ?
DVDD-3V i||^-¥__________5
\/
Рис. 5
Chipcon предлагает пользователю программное обеспечение для конфигурации микроконтроллера, который взаимодействует с CC**** через последовательную четырехпроводную шину SPI. Дополнительно программное обеспечение позволяет рассчитать все внешние согласующие схемы.
Микроконтроллер должен выполнять по крайней мере следующие задачи: кодирование битового потока (например NRZ, код Манчестер или Nible-код), управление режимами трансивера, считыванием параметра RSSI (Reseived Signal Strength Indication) и установление уровня АРУ (AGC). Дополнительно микроконтроллер может управлять сигналом защелки (LOCK) ФАПЧ трансивера по предварительной преамбуле, отключая ФАПЧ на время приема пакета данных. В этом случае битовый поток может быть неуравновешенным, то есть число единиц и нулей в пакете может отличаться.
Трансиверы СС**** могут работать в четырех режимах:
1. Синхронный NRZ (Non Return to Zero). В этом режиме поток данных используется одновременно и для синхронизации. Данные модулируют управляемый генератор без кодировки.
168
2. Синхронный манчестерский кодированный режим. В этом режиме кодирование выполняется СС****.
3. Прозрачный асинхронный режим с UART (Универсальный асинхронный приемо-пе-редатчик). В этом режиме данные модулируют управляемый генератор без кодирования и синхронизации. На приемной стороне не производится синхронизации или декодирования данных. Синхронизация должна выполняться по преамбуле, предшествующей пакету данных.
4. Режим с манчестерским кодированием и декодированием. В этом режиме на модулятор подаются данные, кодированные кодом Манчестер. На приемной стороне СС**** выполняет декодирование и синхронизацию. Такой сигнал имеет нулевое математическое ожидание и наиболее приемлем для некоторых ЧМ-демодуляторов.
Все трансиверы сопровождаются отладочными платами, которые позволяют быстро сконфигурировать устройство: выбрать рабочий диапазон частот, выходную мощность, тип модуляции. С компьютером плата соединяется через параллельный порт или USB. Комплект состоит из базовой платы и сменных модулей с установленными чипами трансиверов. Начать работу можно, проделав следующие шаги:
1) установить необходимый модуль в базовую плату;
2) соединить базовую плату с компьютером, например, через параллельный порт;
3) подключить питание 3 или 4-10 В;
4) запустить отладочное ПО;
5) выбрать тип установленного модуля;
6) задать параметры или установить их по умолчанию для данного модуля;
7) выполнить RESET, Update, Calibrate.
В манчестерском режиме скорость передачи данных составляет половину от скорости битового потока, в то время как в остальных режимах скорости эквивалентны. Некоторые модули, например СС1020, способны генерировать псевдослучайную битовую последовательность, похожую на реально передаваемые данные. Эта опция полезна для измерения реальной эффективной ширины спектра, потребляемого тока, средней выходной мощности.
В заключение следует упомянуть о том, что компания Chicon сотрудничает с фирмой Ember (www.ember.com), которая на базе модулей CC**** предлагает решения для построения распределенных сетей. В качестве базовых элементов Ember выпускает устройства, оформленные в форме брелока, в котором установлены наиболее востребованные датчики: температуры, ускорения, положения. Для сбора данных имеется TCP/IP-шлюз с аналогичным приемопередатчиком. В этом устройстве задействован компьютер StrongARM Linux и приемопередатчик Chipcon. При построении сети используется так называемая технология Mesh Grid. Привлекательным является то, что удаленный датчик может не иметь прямой связи с центральным узлом сбора данных. Информация будет передана по цепочке через любые доступные соседние модули, которые расположены ближе с хосту. На рис. 6 приведена иллюстрация этой технологии.
- www.finestreet.ru-------------------
