Новые радиомодули Radiocrafts позволяют разрабатывать беспроводные устройства с высокой дальностью действия

Введение

Устройства, функционирующие на малых дистанциях (SRD – Short Range Devices), относятся к категории устройств, работающих в режимах, соответствующих безлицензионным режимам, определённым в нормативном документе CEPT DEC 70-03. Необходимость открытия для всеобщего использования некоторых частотных диапазонов продиктована необходимостью удовлетворить потребности промышленных систем дистанционного управления, телеметрии и аналогичных приложений. Термин «малой дальности действия» фактически отображает факт того, что максимально допустимая излучаемая мощность существенно ограничена. Однако это не значит, что при использовании специальных методик и мощных антенных систем нельзя добиться высокой дальности работы.

В таблице 1 приведены основные параметры безлицензионных частотных диапазонов до 1 ГГц, разрешённых к использованию в большинстве европейских стран. Почти все эти диапазоны предназначены для общего применения, но некоторые из них отведены только для специальных приложений. Это ограничивает области их применения и отображается в таблице 1 в столбце «Применение».

В некоторых из приведённых диапазонов, например, в диапазоне 433,050–434,790 МГц, разнос каналов шириной 25 кГц не требуется. Однако если используются узкополосные модули (25 кГц), то в этом случае нет ограничений по рабочему циклу в верхней части диапазона (434,040–434,790 МГц) даже при уровне выходной мощности 10 мВт. Более высокая чувствительность приёмника и более высокая выходная мощность дают лучшую полосу пропускания, чем традиционные широкополосные системы.

Кроме того, при использовании узкополосного приёмника с большей избирательностью система будет менее подвержена воздействию помех от других радиосистем, работающих в этом же диапазоне. Традиционно диапазон 433 МГц использовался для дистанционных систем доступа без ключа (RKE — remote keyless entry), систем управления доступом в гаражи, беспроводных квартирных звонков и т. п. Системы подобного рода часто выполнялись на базе широкополосных передатчиков с ПАВ-резонатором. Ввиду большой ширины полосы частот излучаемого передатчиком ВЧ-сигнала такие устройства занимают большую часть диапазона. Узкополосный приёмник может дать бой помехам от таких систем благодаря своим узкополосным и канальным фильтрам с передаточной характеристикой с высокой крутизной. Другое преимущество — увеличенное число каналов, используемых одновременно. Например, в диапазоне 433 МГц (RC1240) одновременно могут использоваться до 69 каналов, при этом ширина каждого канала всего 25 кГц.

В нелицензируемых диапазонах до 1 ГГц выходная мощность в основном ограничивается значением 10 мВт, за исключением диапазона 869,400–869,650 МГц, где допустимой являются мощности вплоть до 500 мВт или 27 дБм. В этом диапазоне можно использовать как узкие (шириной по 25 кГц), так и довольно широкие (до 250 кГц) каналы. Новый модуль RC1280HP компании Radiocrafts объединяет технологию узкополосного радиоприёма с высокой выходной передаваемой мощностью, благодаря чему его можно использовать в коммуникационных системах весьма высокой дальности действия.

Достижение большей дальности

Такие приложения, как системы телеметрии, устройства автоматических измерений, контроль за местоположением имущества (легковых автомобилей, грузовиков, контейнеров и т. п.) и системы предотвращения хищений — все характеризуются параметром «дальность связи», который покрывает диапазоны от нескольких десятков до сотен метров. Чтобы соответствовать этим требованиям, необходимы новые системные решения, объединяющие самые современные методики реализации приёмников и передатчиков с высокой выходной мощностью.

Дальность связи ограничивается несколькими факторами. Наиболее важным из них является чувствительность приёмника, выходная мощность передатчика и параметры и конструкция антенны. Однако в практических приложениях необходимо также учитывать влаяние таких факторов, как помехи, наводимые другими радиосистемами, а также взаимное влияние друг на друга различных модулей внутри системы. Это накладывает достаточно жесткие требования к чувствительности приёмника, а также к чистоте частотного спектра ВЧ-сигнала на выходе передатчика.

Высокая чувствительность по своей сути тесно связана с хорошей избирательностью, поскольку зависит от ширины полосы пропускания приёмника. То есть узкая полоса приёмника даст в результате хорошую чувствительность, если приёмник будет сконструирован для обеспечения требуемых коэффициента шума и соотношения «сигнал — шум» каскада демодуляции.

Со стороны передатчика увеличение выходной мощности обеспечивается не просто добавлением каскада усиления мощности. Когда передаваемый сигнал усиливается в каскаде, вместе с ним усиливаются граничащие с диапазоном частоты, паразитные составляющие и гармоники, а некоторые генерируются в самом усилителе мощности.

Модулятор, характеристики которого часто определяются свойствами фильтра в цепи обратной связи синтезатора частот, должен разрабатываться учетом необходимости обеспечения требуемой формы спектра и исключения чрезмерного расширения спектра, когда мощность увеличивается последующим каскадом усиления. К тому же усилитель мощности сам может вносить в сигнал расширение спектра (при этом сигнал попадает в приграничные каналы), а также нежелательные паразитные сигналы. При качественном конструировании эти эффекты учитываются, поскольку это необходимо для выполнения требований регулирующих стандартов.

Кроме того, узкополосное радио должно работать от очень стабильного источника опорной частоты. В противном случае частоты приёмника или передатчика будут дрейфовать при изменении температуры, снижая, таким образом, чувствительность приёмной части, и в конечном счете существенно ухудшая коммуникационные параметры всей системы. Поэтому одним из важных требований является использование температурно-компенсированного опорного генератора.

В модуле RC1280HP решены все указанные проблемы, благодаря чему получился качественно спроектированный компактный модуль, который прошел предварительную оценку на соответствие техническим условиям и промаркирован CE на соответствие регулирующим стандартам.

Параметры узкополосной системы

Для того чтобы иметь возможность сравнивать различные приёмопередающие устройства и системы, важно понимать суть различных технических параметров, используемых для описания узкополосных радиосистем. Рассмотрим их по порядку.

Чувствительность приёмника

Предел чувствительности приёмника есть наименьшая мощность сигнала, которая может быть распознана и успешно демодулирована. Однако изготовление высокочувствительного приёмника не является крайне сложной и единственной задачей. Важно понимать то, что хорошая чувствительность приёмника сама по себе еще не является показателем качества приёмной системы — приёмник также должен иметь хорошую избирательность (блокирование нежелательных компонент). Если провести аналогию, что «избирательность» человека представляет собой возможность изолировать один голос и разговор от окружающих звуков, даже если комната заполнена разговаривающими людьми. Здесь не может быть хорошей чувствительности, если мы не можем изолировать сигнал от фонового шума (избирательность). Точно так же наши «блокирующие» свойства работают в диско-баре, когда мы разговариваем при громкой музыке.

Подавление по соседнему каналу

Подавление помех по соседнему каналу (ACR — Adjacent Channel Rejection) описывает возможность отделять сигналы, поступающие в два различных канала. Термин «подавление по соседнему каналу» используется в том случае, когда нежелательный сигнал находится в соседнем канале.

Блокировка

Блокирующее сопротивление, или устойчивость к помехам, представляет собой возможность сохранять связь даже при наличии сильных внеполосных сигналов. Это также связано десенсибилизацией при наличии источника помех. Это может иметь место, например, при наличии сильного передатчика сотовой связи GSM, работающего в диапазоне частот 890–930 МГц, который очень близок к нелицензируемому диапазону частот 868 МГц.

Выходная мощность передатчика

Выходная мощность передатчика представляет собой полную мощность модулированного сигнала. Как видно из табл. 1, существуют регулирующие ограничения на максимально допустимую излучаемую в эфир мощность. Другой фактор, который может ограничить максимальную выходную мощность — мощность соседнего канала, которая будет описана ниже.

Мощность соседнего канала

В идеальном случае вся излучаемая мощность должна находиться внутри рабочей полосы частот. Однако благодаря модуляции и неидеальным преобразованиям некоторая часть мощности попадает в соседний канал. Поскольку эта мощность может мешать коммуникационным системам, работающим на частоте соседнего канала, она является нежелательной, и поэтому должны быть предприняты все меры для её поддержания на как можно более низком уровне. В системах, работающих с каналами шириной 25 кГц, допустимый уровень мощности, излучаемой в соседнем канале (ACP — Adjacent Channel Power), не должен превышать –37 дБм. Аналогичный параметр — ширина занимаемой полосы частот — представляет собой ширину полосы частот, в которой содержится 99% полной мощности. То есть 1% мощности выходит за пределы ширины полосы частот и попадает в соседние каналы.

Паразитные излучения и гармоники

При усилении полезного сигнала также будут усилены и нежелательные паразитные сигналы и гармоники. Паразитные сигналы могут исходить от генератора опорной частоты или синтезатора частот и должны поддерживаться ниже некоторого уровня для того, чтобы предотвратить интерференцию и создание помех другим системам. Гармоники генерируются вследствие нелинейности каскадов усиления. Поэтому при необходимости можно просто добавить любой усилитель мощности к любому маломощному устройству для увеличения мощности передачи. Необходимо не только установить предел для максимальной выходной мощности внутри используемого радиоканала, но и подавить паразитные и гармонические излучения за пределами диапазона.

Таким образом, когда сравниваются различные радиосистемы, мы должны сравнивать не только чувствительность или выходную мощность, но и их возможности работать и сосуществовать с другими системами в реальных условиях функционирования, выраженные в таких параметрах, как подавление соседнего канала, подавление паразитных сигналов и гармоник.

Антенны

Основными параметрами антенны являются усиление и диаграмма направленности. Вертикально расположенная четвертьволновая антенна с большим противовесом имеет коэффициент усиления примерно 5,15 дБ и будет иметь круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Поэтому такой тип антенн весьма популярен в большом спектре систем. В практических реализациях усиление меньше (от 0 до 3 дБ).

При отсутствии хорошего противовеса может быть использован вертикальный полуволновый диполь. Полуволновый диполь имеет теоретическое усиление не менее 2,15 дБ. Другой отрицательной стороной является больший размер в сравнении с четвертьволновым диполем.

Для того чтобы достигнуть наилучшей дальности на открытой местности, антенна должна быть размещена как можно выше. Если антенна размещена слишком близко к земле, отражения от последней существенно снизят дальность действия. Зона Френеля представляет собой эллипсоид, который имеют передающая и принимающая антенны в фокусах. В идеале антенны должны быть размещены настолько высоко, что зона Френеля не будет зависеть от земли и других неоднородностей и препятствий. Это достигается, если антенны размещены на высоте h, где h = √(d*L), d — дистанция и L — длина волны. В таком случае ситуация будет похожа на условия работы в свободном пространстве. Однако на практике такая ситуация может быть достигнута в очень редких случаях и отражения от земли, а также затухание, вносимое другими препятствиями (растительностью, строениями и т. п.) снижают дальность действия.

RC1280HP — модуль высокой мощности

Модуль RC1280HP представляет собой новое устройство, в котором интегрированы передающий модуль RC1280RF и усилитель с высокой выходной мощностью, обеспечивающий выходную мощность по ВЧ вплоть до 500 мВт (рис. 1). Использовании четвертьволновой антенны дальность действия такого модуля в условиях прямой видимости достигает 5–6 км.

Рис. 1. Внешний вид модуля RC1280HP

Новый модуль RC1280HP использует тот же протокол и каналы, что и устройство RC1280. В связи с этим взаимодействие между приборами RC1280 и RC1280HP в сети с модулями для малой и большой дальности действия вполне возможно. Оба они используют протокол RC232, поддерживающий сети типа «точка — многоточка». Буферизация данных, адресация и проверка ошибок — все содержится во встроенном протоколе RC232. Стандартная последовательная шина UART используется как интерфейс связи с хост-контроллером как для обмена данными, так и для конфигурирования.

Модуль содержит многоканальный передатчик с приёмником, имеющим чувствительность –108 дБм при скорости обмена данным 4,8 кбит/с. Подавление по соседнему каналу 30 дБ, избирательность по альтернативному каналу 40 дБ и хорошие блокирующие свойства этого модуля предоставляют разработчикам исключительные возможности даже в густонаселённых и шумных условиях работы. Например, при смещении 1 МГц приёмник может определить сигнал только на 3 дБ выше порога чувствительности с 60 дБ при наличии достаточно сильных помех. При смещении 10 МГц это подавление помех увеличится до 75 дБ.

Модуль использует гауссовскую частотную манипуляцию для того, чтобы ограничить мощность соседнего канала до значения менее –37 дБм, измеренного на границе диапазона. Паразитные составляющие и излучение гармоник фильтруется и ослабляется до значения менее –30 дБм на частотах выше 1 ГГц.

Новый модуль имеет габаритные размеры 19,5×60,5×6,0 мм, поставляется в корпусе DIL-типа с шагом выводов 2,00 мм и позволяет осуществлять низкопрофильные соединения типа «плата — плата». По заказу он может быть поставлен в корпусе с шагом выводов 2,54 мм. На рис. 2 показано расположение выводов этого мощного модуля.

Рис. 2. Расположение выводов в модуле RC1280HP

Модуль прошел предварительную сертификационную проверку на соответствие европейским регулирующим стандартам для нелицензируемого диапазона частот 868 МГц, работает в трех каналах в поддиапазонах 869, 400–869, 650 МГц. В этом диапазоне допускается рабочий цикл 10% (коэффициент передачи). Новый модуль с высокой выходной мощностью может быть также использован за пределами этого поддиапазона, если усилитель мощности отключен, и таким образом выходная мощность снижена до 10 мВт по ВЧ (табл. 1).

Оценка дальности действия

Основываясь на рабочей частоте, чувствительности приёмника и выходной мощности, можно приблизительно оценить дальность действия. Это будет только оценка, поскольку реальное значение сильно зависит от окружающих условий, взаимных отражений, поглощений, помех от другого оборудования и т. д.

Используя модуль с высокой выходной мощностью RC1280HP как пример, можно сделать некоторые предположения относительно других моделей. Идеальная модель открытого пространства (потери на трассе — экспонента от 2) при предположении, что антенны приёмника и передатчика имеют усиление 0 дБ, дает дальность действия более 150 км. Более реалистичная «пригородная» модель (потери на трассе равны экспоненте от 3, используются четвертьволновые антенны) даёт дальность работы 5–6 км. Это примерно соответствует результатам проведённых практических измерений. В таблице 2 сведены дальности действия для различных модулей Radicrafts при использовании их в европейских нелицензируемых частотных диапазонах.