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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Chips para modems de rádio. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis A transmissão de dados por um canal de rádio em distâncias curtas está se tornando cada vez mais comum na vida cotidiana. “Chaves de rádio” para alarmes de carros e controle remoto de vários objetos já se tornaram comuns, “ratos de rádio” e “teclados de rádio” de computadores, etc. Este artigo apresentará aos leitores microcircuitos especializados projetados para resolver esses problemas. Até recentemente, todos que viam pela primeira vez a parte "traseira" da unidade de sistema de um computador operacional ficavam maravilhados com a teia de fios e cabos conectados a ela, que ia para um número considerável de dispositivos interagindo com o computador. A introdução do barramento USB, que ignora todos os dispositivos em série, simplifica a rede a cabo, mas não resolve completamente o problema. As tentativas de usar radiação infravermelha para comunicação entre um computador e sua periferia não são muito bem-sucedidas, pois é necessária uma linha de visão entre a fonte e o receptor de raios infravermelhos, e o alcance real da comunicação confiável não excede dois metros. Além disso, os fabricantes de hardware concorrentes não desenvolveram um único protocolo de troca de dados. Portanto, a presença de um adaptador IrDA em seu computador não garante a capacidade de se comunicar com ele com nenhum dos dispositivos equipados com IrDA. Recentemente, a ideia de organizar uma conexão "próxima" entre computadores localizados em uma ou salas vizinhas e dispositivos que interagem com eles (impressoras, scanners, modems etc.) por meio de um canal de rádio vem ganhando cada vez mais desenvolvimento. No entanto, apesar da aparente simplicidade e obviedade de tal abordagem, existem tantas dificuldades no caminho de sua implementação que o problema ainda não pode ser considerado resolvido. Pelo menos, o objetivo proclamado por alguns desenvolvedores "adicionamos um microcircuito a cada computador e dispositivo periférico - e está na bolsa" ainda está muito longe. No entanto, o processo foi iniciado. Tentativas estão sendo feitas para desenvolver tecnologias e protocolos comuns para comunicações de rádio de computador "locais". Os mais famosos deles são Bluetooth, IEEE 802.11, UWB e Nome RF competem entre si. Identificar o vencedor, avaliando na prática as vantagens e desvantagens declaradas das tecnologias propostas, será em um futuro próximo. Nesse ínterim, os fabricantes de nós necessários para comunicação em qualquer protocolo - microcircuitos de transceptores de microondas (transceptores) - focando em um dos protocolos, no entanto, abrem a possibilidade de usar outros. Neste artigo, falaremos sobre alguns desses microcircuitos. Empresa norueguesa BlueChip Communications AS produz microcircuitos de chip único de transceptores de rádio BCC418 e BCC918, caracterizados pelo consumo de micropotência de energia, capacidade de operar em uma ampla faixa de temperatura (de -40 a +85 ° C) e são destinados principalmente à troca de dados digitais em redes de rádio nas bandas de 400 e 900 MHz. As principais aplicações desses transceptores são sensores remotos usados na indústria, sistemas de segurança e medicina. Além disso, eles podem ser usados em sistemas de monitoramento ambiental, redes de rádio de computador de baixa velocidade, leitores remotos de código de barras, paginação bidirecional, etc. Os microcircuitos são semelhantes em estrutura e parâmetros internos, são produzidos em embalagens plásticas TQFP-44 (dimensões 12x12 mm) com um arranjo de pinos de quatro lados e diferem apenas porque o BCC418 cobre a faixa de 300..600 MHz e o BCC918 - 700..1100 MHz. A frequência operacional e outros modos de operação dos microcircuitos transceptores são definidos usando um comando de 80 bits inserido por um código binário serial em um registro especial do microcircuito. Para garantir a flexibilidade de uso desses microcircuitos, é possível programar oito níveis de potência de saída do transmissor (intervalo - 3 dB, nível máximo - 10 mW), dois (para BCC418) ou quatro (para BCC918) valores de ganho dos estágios de entrada do receptor (permite reduzir a sensibilidade em 25 ..33 dB), bem como quatro larguras de banda LPF (10, 30, 60 ou 200 kHz). Outras características da construção desses transceptores incluem o uso de um método de conversão direta de frequência no receptor, a presença de um sintetizador de frequência de dois canais com um loop PLL externo que fornece uma grade de frequência muito densa (centenas de hertz), saídas de o detector de captura LockDet e o nível do sinal RSSI recebido, bem como um filtro passa-baixo giratório elíptico sintonizável integrado de sete polos do receptor. Para transmitir informações, o chaveamento de frequência portadora (FSK) é usado com um desvio, que é selecionado de acordo com a taxa de recepção/transmissão de dados necessária. A taxa de transmissão máxima suportada pelos chips do transceptor BCC é de 128 kBaud. Para velocidades de 9,6 kBaud e menos, o desvio recomendado é de ±25 kHz. Com uma sensibilidade do receptor de -105 dBm e antenas omnidirecionais, isso garante um alcance de comunicação em espaço aberto de até 700 m. Tensão de alimentação nominal - 3 V. Consumo de corrente no modo de transmissão - não mais que 50 mA, no modo de recepção - 8 mA , em modo de espera - menos de 2 uA. O oscilador principal do transmissor e o oscilador local do receptor são um sintetizador de frequência que consiste em um oscilador controlado por tensão (VCO), dois divisores de frequência programáveis e um PLL. Para estabilizar a frequência do sintetizador, é recomendável usar um ressonador de quartzo de alta qualidade com frequência de 10 MHz. Dependendo da taxa de transferência de dados necessária, os microcircuitos do transceptor BCC oferecem a possibilidade de usar um dos quatro métodos para manipular a frequência do transmissor - alterando o fator de divisão de um dos contadores do sintetizador, alternando entre dois divisores de frequência programados, modulando (puxando) a frequência do ressonador de quartzo de referência ou modulação VCO direta. A parte receptora é feita de acordo com o esquema de conversão direta de frequência e contém um detector de frequência digital. A demodulação é realizada comparando as fases do sinal recebido nos canais em fase I e quadratura Q. Se no canal I fica atrás de Q, a frequência do sinal é maior que a frequência do oscilador local, se está à frente, é menor que ele. O chamado "jitter" inerente a tais esquemas (front jitter) dos dados recebidos, via de regra, não cria nenhum problema ao receber dados digitais, porém, seu valor deve ser levado em consideração nos casos em que o momento de chegada da frente do sinal é importante. O jitter diminui com o aumento do desvio de frequência ΔF, enquanto seu valor máximo não excede 1/(4ΔF). O PLL sintoniza o oscilador local para a frequência central do sinal, de modo que a sequência do código transmitido deve conter um número igual de zeros e uns lógicos para evitar falhas. Este requisito, comum em sistemas de comunicação digital, deve ser levado em consideração na escolha do método de codificação dos dados transmitidos. A BlueChip Communications recomenda o uso do código de bloco Manchester ou 4BXNUMXB para essa finalidade. Para controlar a operação do PLL em transceptores VSS, é possível usar a saída LockDet especialmente fornecida - um detector de captura. A tensão constante na saída do RSSI é proporcional ao logaritmo da potência do sinal na entrada do receptor, e essa dependência é mantida em uma faixa dinâmica de cerca de 70 dB. Um circuito típico para ligar o chip BCC418 é mostrado na fig. 1. Varicap D1 e seu ambiente - elementos VCO e PLL. O ressonador de quartzo ZQ1, como já mencionado, define a frequência exemplar. Os indutores e a maioria dos capacitores no lado direito do circuito estão incluídos no circuito de micro-ondas para combinar a entrada e a saída do transceptor com a antena WA1. O circuito R15D3L3D2 é usado para alternar a antena para a entrada do receptor ou saída do transmissor do chip do transceptor.
Com base nos microcircuitos BCC418 e BCC918, são produzidos módulos de micro-ondas RFB433, RFB868 e RFB915, construídos de acordo com esquemas semelhantes ao discutido acima (Fig. 1). Eles têm aproximadamente 25x25x3 mm de tamanho e possuem terminais adaptados para montagem em superfície. Os módulos são otimizados (configurados pelo fabricante) para uma taxa de transmissão de 19,2 kBaud e operação, respectivamente, nas bandas ISM 433,4 ... 434,4 MHz, 868,8 ... 869 MHz e 903 ... 927 MHz, enquanto podem operam em uma faixa de frequência mais ampla. Uma antena combinada (com uma impedância de alimentação de 50...100 Ohm) pode ser conectada diretamente aos módulos, sem elementos adicionais de micro-ondas. A abreviatura ISM é utilizada para designar faixas projetadas para trabalhar na radiação de equipamentos para fins industriais (Industrial), científicos (Scientific) e médicos (Medical). Na Europa e nos EUA, nenhuma licença é necessária para operar nessas bandas. A BlueChip Communications oferece aos desenvolvedores de hardware placas de depuração (Evaluation Kits, um conjunto de 2 peças) contendo um módulo de micro-ondas, uma antena impressa e um microcontrolador PIC16LC63A. Usando o software fornecido com as placas, é possível organizar a transferência de dados bidirecional entre dois computadores remotos a uma distância de até 300 m e para uma antena externa compatível. O rádio modem está configurado para uma taxa de dados de 433 kBaud e usa dez frequências de operação na faixa de 232...6 MHz, digitalizadas automaticamente a uma taxa de 9 ms. Outras empresas também produzem transceptores ISM. Por exemplo, Texas Instrument fabrica os chips TRF6900 e TRF6901 no pacote PQFP-48. O primeiro deles cobre a banda de frequência 850...950 MHz, o segundo - 860...930 MHz. Potência do transmissor - 3 mW, figura de ruído do receptor - 3,3 dB. A interface do transceptor digital externo é orientada para o microcontrolador MSP430 da mesma empresa. A americana Atmel Corporation, conhecida por seus chips de memória e microcontroladores, não ficou de fora. . Tendo ingressado na Associação Bluetooth (aliás, o nome vem do apelido do rei Harald, que governou a Dinamarca e a Noruega no século 76), ela desenvolveu vários microcircuitos em suporte a esse protocolo. O mais complexo deles é o controlador de protocolo AT511C176. Basta dizer que é fabricado em um pacote de 32 pinos, contém um núcleo de computação ARM7TDMI RISC de 256 bits e, para executar todas as funções fornecidas pelo Bluetooth, requer XNUMX KB de RAM externa e a mesma quantidade de FLASH ou outro Memória não volátil. Para se comunicar com um computador, o chip AT76C511 é equipado com três interfaces diferentes: USB, PCMCIA e um emulador UART 16550. No futuro, está previsto o lançamento de versões simplificadas, cada uma das quais terá apenas uma interface. O controlador organiza a comunicação por rádio "comandando" o módulo de micro-ondas - o microcircuito T2901 da mesma empresa. A comunicação é realizada em 79 frequências fixas na faixa de 2400...2500 MHz. De acordo com o protocolo Bluetooth, a frequência de operação muda abruptamente a cada 625 µs, e a lei da mudança é conhecida pelos assinantes que estabeleceram uma conexão e é imprevisível para os outros. Como resultado, dois ou mais canais de comunicação, operando simultaneamente na mesma banda de frequência, não interferem entre si. Falhas raras causadas por coincidência aleatória de curto prazo das frequências do transmissor são rapidamente eliminadas pelo sistema multinível de codificação de dados de correção de erros e correção de erros fornecida pelo protocolo. É verdade que a taxa de troca de dados "líquida" de 1 Mbps, como resultado, é reduzida em aproximadamente 20%. Um circuito típico para ligar o chip T2901 é mostrado na fig. 2, os numerosos capacitores de desvio de 4,7 pF conectados a todos os pinos de alimentação e controle não são mostrados. O sinal de frequência de referência é aplicado ao pino 1 (CLK). É possível selecionar programaticamente um dos quatro valores possíveis. Potência do transmissor - 1 mW. A informação é transmitida pelo chaveamento de deslocamento da frequência portadora com um desvio nominal de ±160 kHz. O sinal de modulação pode ser pré-filtrado usando o filtro gaussiano passa-baixo integrado. Este filtro é ligado e desligado pela chave SW1.
O receptor neste caso é um super-heteródino convencional com uma frequência intermediária de 111 MHz. Sua figura de ruído é de 12 dB. A seletividade é fornecida pelo filtro SAW F1, circuitos oscilatórios com bobinas L2 e L3 - elementos do IF e discriminador de frequência. O transistor Q1 faz parte do regulador de tensão interno. A corrente consumida pelo microcircuito é quase independente do modo de recepção / transmissão, chegando a aproximadamente 60 mA, e somente no modo de espera diminui para dezenas de microamperes. Uma característica interessante do dispositivo de microcircuito T2901 é que o sinal do transmissor é gerado em uma frequência dupla (4800 ... 5000 MHz), que é dividida por dois antes de ser enviada para a saída. O demodulador do receptor também opera na metade da frequência intermediária, 55,5 MHz. Para aumentar a potência de saída e a sensibilidade do transceptor T2901, a Atmel oferece microcircuitos adicionais para um amplificador de potência de micro-ondas (T7023) e um amplificador semelhante combinado com uma entrada de baixo ruído (T7024). Sua característica é a presença de uma entrada especial para ajustar a potência de saída, que permite ligar e desligar suavemente o transmissor, definir o nível mínimo de potência do sinal emitido suficiente para manter a comunicação. Essas medidas minimizam a interferência criada por outros canais de comunicação operando na mesma faixa. A potência de saída de ambos os microcircuitos é de 200 mW, a figura de ruído do microcircuito T7024 não é superior a 2,3 dB. Autor: A. Dolgiy, Moscou
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