Подгигагерцовые беспроводные МКУ и компоненты для IoT

Создано: 15 Ноября, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

В последние годы использование устройств IoT значительно выросло, причем многое из этого происходит на заднем плане в таких областях, как промышленное производство, инфраструктура, автоматизация дома, умные счетчики и носимая электроника. В потребительском сегменте устройства IoT в основном подключаются к сетям с коротким радиусом действия внутри помещений, обычно через WiFi или Bluetooth. Сегодня все больше устройств интегрируются на большие расстояния с использованием протоколов низкой частоты или принимают гибридный подход с протоколами высокой и низкой частоты на одном устройстве. Объединение всего этого включает в себя слияние нескольких беспроводных протоколов наряду с цифровой обработкой и встроенным приложением.

Почему продолжается акцент на беспроводной связи в диапазоне ниже 1 ГГц в этих системах, особенно когда у нас уже есть множество полезных протоколов, таких как Bluetooth, WiFi, сотовая связь и другие варианты в диапазоне ISM 2,4 ГГц? Беспроводная связь в диапазоне ниже 1 ГГц имеет свои преимущества, и провайдеры услуг IoT оказывают гораздо большую поддержку для этих продуктов. Это означает, что гораздо проще построить частную сетевую архитектуру и подключить ее к вашим облачным сервисам через базовую станцию или получить доступ к облачным сервисам через существующего беспроводного оператора. В США крупные телекоммуникационные компании теперь предлагают услуги IoT через свои сети, и вы можете настроить собственную платформу облачного сервиса, которая соединяется с вашим оборудованием IoT с использованием крупных провайдеров облачных сервисов.

В конце концов, если вы не можете добавить на свою плату протокол ниже 1 ГГц, то вы не сможете использовать его для обеспечения дальней, низкоэнергетической беспроводной связи и услуг, которые эти протоколы позволяют. В этой статье мы рассмотрим некоторые основные аспекты низкоэнергетической дальней беспроводной связи в широко признанном диапазоне ниже 1 ГГц.

Выбор беспроводного варианта в диапазоне ниже 1 ГГц

Создание продуктов IoT с беспроводной связью в диапазоне ниже 1 ГГц требует выбора чипсета, который может поддерживать эти частоты и реализует желаемый беспроводной протокол для вашей сети IoT. Ранние МК, используемые в устройствах IoT, не включали эти функции, вместо этого требуя отдельного модуля или эмуляции в приложении устройства. Сегодня существует несколько чипсетов и полностью интегрированных МК, поддерживающих несколько протоколов ниже 1 ГГц. Некоторые из этих продуктов также будут поддерживать более высокую частоту ISM-диапазона в диапазоне 2,4 ГГц, и возможно WiFi до 5 ГГц. Здесь вы можете прочитать больше о базовых принципах выбора протокола IoT.

Смесь различных стандартов и протоколов определит, какие частоты будут доступны в вашем дизайне, что будет основным фактором потребления энергии. При выборе проводного или беспроводного сетевого протокола обычно основным критерием является скорость передачи данных. В беспроводной связи ниже 1 ГГц основными преимуществами являются низкое потребление энергии этих протоколов и большая дальность на этих частотах. Поэтому согласование срока службы устройства и требований к дальности связи с приложением обычно более важно для конечных устройств в сети.

Баланс между дальностью и энергопотреблением

Протоколы высокой и низкой частоты отличаются по двум основным аспектам, которые определяют их идеальные области применения: затухание и потребление энергии. Низкие частоты, как правило, соответствуют меньшему потреблению энергии и большей дальности, поэтому протоколы суб-ГГц идеально подходят для таких приложений IoT. Передача на низких частотах также имеет меньше проблем с препятствиями, такими как холмы, здания и т.д., так что эта возможность дальнего действия исключает необходимость в ретрансляционных станциях и базовых станциях. В отличие от этого, с новым поколением развертывания 5G, где для доставки услуг конечным пользователям потребуется внедрение мини-базовых станций. Простой способ начать оценку требований к мощности передатчика на заданное расстояние и частоту передачи (на самом деле длину волны) - использовать формулу потерь на пути Фрииса. Эта формула иллюстрирует компромисс между частотой передачи (или скорее длиной волны) и дальностью:

Где:

Pr = Полученная мощность
Pt = Передаваемая мощность
Dt = Направленность передатчика
Dr = Направленность приемника
d = Расстояние между антеннами передатчика и приемника
λ = Длина волны передачи

Фактически, если вы знаете чувствительность приемника (указанную в dBm), то вы можете определить необходимую мощность передатчика для заданной длины волны и расстояния прямой видимости. В общем, удвоение дальности передачи требует увеличения бюджета мощности для вашей беспроводной связи на 6 дБ. Кроме того, мы видим, что удвоение частоты снижает полученную мощность на 6 дБ. Заметим, что все это идеализированные факторы, зависящие от передачи прямой видимости между двумя антеннами. Устройство, развернутое в реальном сценарии, будет испытывать потери от поглощения, многолучевого распространения и отражений, а также от погоды. Поэтому убедитесь, что вы учитываете реалистичный запас прочности для вашей системы, чтобы учесть возможность ограниченной дальности.

Важные характеристики для чипсетов суб-ГГц

Хотя дальность и частота передачи являются основными соображениями при проектировании устройств IoT суб-ГГц, есть несколько других спецификаций, которые следует учитывать в этих проектах.

Потребление энергии

Беспроводные продукты суб-ГГц (и любые другие беспроводные продукты) не будут иметь конкретной спецификации дальности, или если она будет, то это будет просто оценка. У них будет значение выходной мощности для заданного тока, указанное как значение EIRP (эквивалентная изотропно излучаемая мощность, в единицах dBm). Антенна с направленностью/усилением больше 1 может быть использована для направленной передачи и может быть использована для снижения потребления энергии, необходимой для передачи данных. Общее потребление энергии системы может быть дополнительно снижено за счет использования системы с низким током ожидания, режимами с низким потреблением энергии и таймерами пробуждения. Учитывая все эти факторы, потребление энергии может быть минимизировано, и устройства могут быть спроектированы так, чтобы иметь общий полезный срок службы более 10 лет на батарейке типа "таблетка".

Чувствительность приемника

Как было упомянуто выше, чувствительность приемника и частота передачи определят дальность системы. Каналы с большей полосой пропускания потребуют более чувствительного приемника, что может ограничить дальность вашей связи на частотах ниже 1 ГГц. Компенсация этого может потребовать увеличения мощности передачи, ограничения дальности, использования более низкой скорости передачи данных или, возможно, перехода на другой протокол для вашего приложения. Усиление/направленность антенны также играет здесь роль и может компенсировать более низкую чувствительность, обеспечивая направленную передачу между устройствами в сети.

Рассмотрение модуляции и сосуществования

Так же, как определенные части протоколов ISM-диапазона могут испытывать проблемы сосуществования, диапазоны ниже 1 ГГц могут испытывать помехи между каналами. Протоколы ниже 1 ГГц обычно используют схемы модуляции с ключеванием (FSK, ASK, OOK и т. д.). В некоторых случаях используются механизмы расширенного спектра для увеличения полосы пропускания канала, либо путем кодирования данных в более высокую скорость передачи битов, либо с помощью схемы, такой как частотно-перестраиваемый расширенный спектр (FHSS). Ниже приведен пример, показывающий увеличение скорости передачи данных, используемое для увеличения полосы пропускания при заданной средней мощности передачи.

Концепция передачи с расширенным спектром. Распределение передаваемых данных (синий) в кодирование с более высокой скоростью передачи битов (красный) позволяет приемнику выдерживать потенциальные источники помех.

(Альтернативный текст: Передача с расширенным спектром)

Сигналы с расширенным спектром менее подвержены помехам, но передающие и приемные цепи на конечных устройствах должны иметь большую полосу пропускания для компенсации этого распределения мощности по полосе пропускания канала. Реализация FHSS потребует дополнительных испытаний для обеспечения соответствия требованиям EMC и будет требовать совместимых устройств с достаточной чувствительностью приемника на каждом конце. В некоторых устройствах лучшим выбором может быть специализированный модуль передатчика для обеспечения достаточной чувствительности приема сигналов с расширенным спектром.

Варианты радио и передатчиков ниже 1 ГГц

Короче говоря, существует два основных способа интеграции радио ниже 1 ГГц в новый продукт и подключения его к сети IoT на большое расстояние:

Использовать процессор, который включает в себя возможности беспроводной связи ниже 1 ГГц, интегрированные в чип
Использовать внешний передатчик ниже 1 ГГц, совместимый с контроллером хоста вашей системы
Добавить беспроводной модуль, который содержит все необходимые периферийные устройства и

В зависимости от потребностей вашей системы, любой из этих вариантов может быть жизнеспособным, поскольку существует множество компонентов, попадающих в обе категории. Первые два варианта потребуют немного больше усилий, если вы никогда раньше не проектировали такие вещи, как фильтры, линии питания, антенны или устройства РЧ в целом. Однако существуют высокоинтегрированные линейки продуктов от нескольких производителей, поддерживающие несколько диапазонов ниже 1 ГГц; некоторые отличные варианты показаны ниже.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Модуль беспроводной связи ATSAMR30M18A-I от Microchip функционирует как МКУ, включающий в себя радио, соответствующее стандарту IEEE 802.15.4, с интегрированной антенной. Этот модуль SMD с краевыми контактами включает в себя МКУ ARM Cortex-M0+ с интегрированной памятью Flash объемом 256 КБ, а также интегрированный передатчик для ISM-диапазона 700/800/900 МГц. Как простой в использовании SiP, он также включает некоторые стандартные функции, которые пользователи ожидают от МКУ, такие как 12-битный АЦП с частотой дискретизации 350 кс/с, I2C с рабочей частотой до 3,4 МГц, интерфейс USB 2.0 и 16 GPIO. Для его работы требуется внешняя антенна; в таблице ниже приведен список одобренных антенн, хотя можно использовать и другие антенны, если они имеют аналогичные характеристики и прошли тестирование.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

OL2385AHN от NXP Semiconductor - это многодиапазонный беспроводной РЧ-передатчик с встроенным ядром МКУ, поддерживающий несколько поддиапазонов ниже 1 ГГц (от 160 до 960 МГц). Этот устройство является высокоинтегрированным передатчиком с четырьмя выбираемыми диапазонами частот, поддерживающим несколько схем модуляции (400 кбит/с / 200 кбит/с FSK, ASK и OOK). На плате хост-контроллер может взаимодействовать с этим устройством через интерфейс SPI, UART или совместимый с UART протокол LIN. Некоторые из основных областей применения, нацеленных на этот компонент, включают LPWAN для продуктов умной инфраструктуры, технологии умного дома, M2M-коммуникацию и сети датчиков.

Блок-схема радиопередатчика NXP OL2385AHN. [Источник: (Alt text: Дизайн Sub-GHz)

Texas Instruments, SimpleLink Wireless MCUs (CC13xx и CC430F51xx)

Линейка беспроводных МКУ SimpleLink от Texas Instruments является одной из моих личных фаворитов для разработки новых IoT-продуктов, работающих в поддиапазонах ниже 1 ГГц. Некоторые компоненты этой линейки также поддерживают несколько ISM-диапазонов, WiFi, Bluetooth и другие в диапазоне от 1 до 2 ГГц. Эта линейка включает в себя некоторые МКУ, которые сертифицированы для автомобильных продуктов. Различные продукты в линейке SimpleLink поддерживают следующие протоколы поддиапазона ниже 1 ГГц:

IEEE 802.15.4
Wireless M-Bus (режимы T, S, C, N)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

Если вы используете другие продукты в портфолио TI, вам будет легко разработать приложение с поддержкой SDK от TI для этих продуктов и периферийных устройств для вашей IoT-платформы. Эти МКУ также могут взаимодействовать с любыми другими периферийными ASIC через стандартные цифровые интерфейсы, предоставляя разработчикам большую гибкость для создания новых IoT-платформ.

Будущее IoT в поддиапазоне ниже 1 ГГц

Все продолжают сосредотачиваться на WiFi, Bluetooth и 5G, поскольку они так широко распространены в потребительском сегменте, но сети с частотой менее 1 ГГц никуда не исчезнут и будут продолжать оставаться энергоэффективным основанием для сетей IoT. Дальность действия, низкое энергопотребление и простота внедрения слишком хороши, чтобы их игнорировать, и нет смысла усугублять уже существующую загруженность ISM или сотовых сетей в приложениях с постоянно низкой скоростью передачи данных. Некоторые компоненты, необходимые системным дизайнерам во многих приложениях с частотой менее 1 ГГц, попадают в следующие категории:

Если вы разрабатываете индивидуальное решение, которое может поддерживать ряд возможных частот или протоколов, таких как программно-определяемое радио, вам понадобятся дополнительные компоненты для создания вашего RF фронтенда:

Когда вам нужно найти компоненты для вашего следующего дизайна беспроводной системы с частотой менее 1 ГГц, используйте расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, наличии на складах и спецификациях компонентов, и все это доступно в удобном пользовательском интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.