Подключение внешнего усилителя мощности к BlueNRG-LP

12 апреля 2021

Софья Букреева (г. Протвино)

BlueNRG-LP – программируемая микросхема SoC производства компании STMicroelectronics, имеющая приемопередатчик BLE и микроконтроллер Cortex-M0+ с частотой до 64 МГц. Микросхема соответствует базовой спецификации BLE SIG версии 5.2, имеет сверхмалое потребление, обеспечивает скорость передачи данных до 2 Мбит/с и предлагает широкий набор аппаратных функций для безопасности данных. BlueNRG-LP имеет аппаратный и программный режимы, которые облегчают управление усилителем. В статье рассмотрено подключение микросхемы BlueNRG-LP ко внешнему усилителю для повышения мощности радиосигнала до 20 дБм.

Выходная мощность BlueNRG-LP может достигать +8 дБм. В России для устройств Bluetooth допускается максимальная выходная мощность +20 дБм, что соответствует принятым стандартам Bluetooth (IEEE 802.15.1, Решение ГКРЧ от 7 мая 2007 г. №07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия», приложение №2 с изменениями от 29 февраля 2016 г. решением ГКРЧ № 16-36-03, [1, 2, 3]). Мощность сигнала можно увеличить за счет использования внешнего усилителя. Схема усилителя может также включать малошумящий усилитель для повышения чувствительности, схему переключения линий приема/передачи (RX/TX), согласующую цепь и фильтры гармоник. Микросхема BlueNRG-LP имеет два режима, которые упрощают управление внешним усилителем.

Управление внешним усилителем мощности

На рисунке 1 показана упрощенная схема внешнего усилителя мощности. На входе усилитель обычно имеет хотя бы два контакта для переключения антенны либо к выходу усилителя, либо ко входу малошумящего усилителя (LNA). LNA может отсутствовать, тогда контакт TX/RX соединяется с антенной напрямую. Схема может также включать цепочку для согласования импеданса и фильтр гармоник.

Рис. 1. Упрощенная схема внешнего усилителя мощности

Сигналы управления генерируются микросхемой BueNRG-LP. Обычно достаточно двух сигналов: одного для управления линией передачи TX, другого для управления линией приема RX, однако у разных производителей логика управления может отличаться. Перед началом радиопередачи или приема всегда необходимо дожидаться установки сигналов TX_EN и RX_EN. Это время необходимо для стабилизации питания усилителя мощности, иначе его ток потребления может быть слишком большим, и PLL-модуль микросхемы BueNRG-LP может быть дестабилизирован.

Таким образом, секвенсор BLE должен генерировать два сигнала:

• TX_SEQUENCE, который устанавливается в единицу перед началом передачи и возвращается в ноль по ее окончанию;
• RX_SEQUENCE, который устанавливается в единицу перед началом приема и возвращается в ноль по окончанию приема.

Длительность времени от переходов к высокому уровню сигнала TX_SEQUENCE до передачи первого бита и сигнала RX_SEQUENCE до приема зависят от калибровки PLL, которая выполняется каждый раз при смене радиоканала. В таблице 1 указано время задержки сигналов с калибровкой и при повторном использовании радиоканала (без калибровки). Данные значения устанавливаются в прошивке.

Таблица 1. Задержка между сигналами управления и состоянием TX/RX

Режимы работы при управлении внешним усилителем мощности

В BlueNRG-LP есть два варианта организации управления сигналами приема и передачи:

1. Автоматический режим, при котором сигналы TX_SEQUENCE и RX_SEQUENCE секвенсора BLE выводятся на определенные GPIO. В этом режиме сигналы микросхемы могут быть несовместимы с логикой управления усилителя.
2. Режим прерывания, при котором сигналы TX_SEQUENCE и RX_SEQUENCE вызывают прерывания, позволяющие реализовать в прошивке любую логику управления усилителя.

Автоматический режим

В этом режиме сигналы TX_SEQUENCE и RX_SEQUENCE могут быть включены как альтернативные функции на некоторых GPIO микросхемы BlueNRG-LP: TX_SEQUENCE – PA10 (AF2), PB15 (AF1); RX_SEQUENCE – PA8 (AF2), PA11 (AF2). Преимущество этого режима состоит в том, что сигналы управления TX/RX генерируются автономно, без каких-либо действий со стороны прошивки. Однако существенным недостатком является ограниченность использования данного режима, так как усилитель должен быть совместим с сигналами, генерируемыми секвенсором BLE (таблица 2).

Таблица 2. Сигналы управления усилителя, совместимые с BlueNRG-LP в автоматическом режиме

На рисунке 2 показана схема подключения микросхемы BlueNRG-LP ко внешнему усилителю RFX2401C производства компании Skyworks. Логика его управления полностью совместима с сигналами TX_SEQUENCE (на выводе PB15) и RX_SEQUENCE (на выводе PA11) секвенсора BlueNRG-LP.

Рис. 2. Схема подключения микросхемы BlueNRG-LP ко внешнему усилителю RFX2401C

Режим прерывания

В данном режиме сигналы TX_SEQUENCE и RX_SEQUENCE, поступающие от секвенсора, могут генерировать прерывания основного контроллера. Для разрешения прерываний можно использовать следующий код:

LL_APB0_EnableClock(LL_APB0_PERIPH_SYSCFG);

LL_SYSCFG_BLERXTX_SetTrigger(LL_SYSCFG_BLERXTX_TRIGGER_BOTH_EDGE, LL_SYSCFG_BLE_TX_EVENT);

LL_SYSCFG_BLERXTX_SetTrigger(LL_SYSCFG_BLERXTX_TRIGGER_BOTH_EDGE, LL_SYSCFG_BLE_RX_EVENT);

LL_SYSCFG_BLERXTX_SetType(LL_SYSCFG_BLERXTX_DET_TYPE_EDGE, LL_SYSCFG_BLE_TX_EVENT);

LL_SYSCFG_BLERXTX_SetType(LL_SYSCFG_BLERXTX_DET_TYPE_EDGE, LL_SYSCFG_BLE_RX_EVENT);

LL_SYSCFG_BLERXTX_EnableIT(LL_SYSCFG_BLE_TX_EVENT|LL_SYSCFG_BLE_RX_EVENT);

NVIC_EnableIRQ(BLE_SEQ_IRQn);

Обработчик прерывания BLE_RXTX_SEQ_IRQHandler() можно определить следующим образом:

void BLE_RXTX_SEQ_IRQHandler(void)
{ 
  if(LL_SYSCFG_BLERXTX_IsInterruptPending(LL_SYSCFG_BLE_TX_EVENT))
   { // Установить вывод GPIO для входа в режим передачи
        LL_SYSCFG_BLERXTX_ClearInterrupt(LL_SYSCFG_BLE_TX_EVENT);
   }
  else if (LL_SYSCFG_BLERXTX_IsInterruptPending(LL_SYSCFG_BLE_RX_EVENT))
   { // Установить вывод GPIO для входа в режим приема
        LL_SYSCFG_BLERXTX_ClearInterrupt(LL_SYSCFG_BLE_RX_EVENT);
   }
}

Внутри обработчика любой вывод GPIO может использоваться для управления усилителем. Таким образом, этот режим дает большую гибкость и позволяет реализовать любую логику управления, в том числе и в случае, когда интерфейс усилителя имеет больше двух сигналов управления. Недостатком является более сложная программная реализация. Кроме этого, может произойти задержка управляющего сигнала, если возникнет прерывание с более высоким приоритетом. Приоритет прерываний секвенсора следует задавать ниже, чем прерывания приемопередатчика BLE_TX_RX_IRQHandler(), но выше, чем у других прерываний. Наивысший приоритет у BLE_TX_RX_IRQHandler не помешает обработчику прерываний от сигналов управления BLE_RXTX_SEQ_IRQHandler(), ведь BLE_TX_RX_IRQHandler() выполняется только после установки сигналов управления, то есть обработка прерывания BLE_RXTX_SEQ_IRQHandler() может задержаться выполнением BLE_TX_RX_IRQHandler() только в конце приема или передачи, что не является критичным.

Литература

1. Заседание ГКРЧ от 07.05.2007 (протокол № 07-20): Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации
2. Заседание ГКРЧ от 29 февраля 2016 года (протокол №16-36): Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации
3. Microsoft Word. Приложение №1 к решению ГКРЧ №16-36-03.docx
4. AN5574 Driving an external RF front-end with the BlueNRG-LP