Радиомодуль RFM95 от HOPERF: дальняя связь с низким энергопотреблением

18 мая

Масштабные проекты в сфере интернета вещей (IoT), как правило, включают в себя множество конечных устройств, распределенных на больших территориях. Эти терминалы периодически передают небольшие пакеты данных от датчиков и часто работают от батареек, что накладывает жесткие требования к энергопотреблению и сроку службы элементов питания.

В отличие от высокоскоростных протоколов, низкоскоростные решения с малым потреблением энергии и большим радиусом действия подходят для таких задач. Они позволяют:

• снизить затраты на развертывание сети;
• повысить надежность и гибкость системы;
• обеспечить автономную работу устройств в течение нескольких лет.

Благодаря модуляции CSS (Chirp Spread Spectrum) и механизмам коррекции ошибок технология LoRa обеспечивает стабильную связь даже при очень слабом сигнале. В типовых условиях дальность передачи составляет от нескольких до десяти и более километров.

RFM95 – эффективное решение для низкоскоростной связи на большие расстояния, выпускаемое компанией HOPERF (рисунок 1).

Рис. 1. Внешний вид коммуникационного модуля RFM95 с поддержкой LoRa, разработанного HOPERF

Несмотря на использование доступных компонентов, он обладает такими характеристиками, как чувствительность до -140 дБм и встроенный усилитель мощности до +20 дБм, что обеспечивает бюджет линии связи до 164 дБ.

Помимо LoRa, модуль поддерживает классические виды модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. RFM95 совместим со стандартами WMBus и IEEE 802.15.4g, что позволяет использовать его в умных датчиках, промышленном IoT и системах «умный дом» без изменения аппаратной части.

Архитектура модуля

RFM95 построен по схеме с низкой промежуточной частотой Low-IF (рисунок 2).

Рис. 2. Схема модуля RFM95

С точки зрения архитектуры в модуле RFM95 используется типовая структура Low-IF для беспроводной передачи.

Со стороны приемника сначала происходит усиление сигнала с помощью малошумящего усилителя (LNA). Затем он преобразуется в дифференциальную форму для улучшения линейности второго порядка и более сильного подавления гармоник. LNA представлен моделью с одним входом, что позволяет уменьшить количество внешних выводов и упростить подключение модуля к внешним устройствам.

После этого сигнал преобразуется миксером, который вырабатывает синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие промежуточной частоты (IF). Затем пара Σ-Δ-АЦП выполняет аналого-цифровое преобразование, и вся дальнейшая обработка сигналов происходит в цифровом домене.

Встроенный конечный автомат микросхемы одновременно выполняет автоматическую коррекцию частоты (AFC), индикацию мощности принятого сигнала (RSSI), автоматический контроль усиления (AGC), а также интегрирует функции по управлению протоколом передачи данных.

Со стороны передатчика модуль RFM95 имеет три усилителя мощности радиосигнала, два из которых подсоединены к выводам RFO_LF и RFO_HF, соответственно, и обладает максимальной выходной мощностью +14 дБм.

Эти два усилителя мощности выполнены по схеме без регулировки, позволяя за счет этого достичь повышенной энергоэффективности, и могут быть напрямую подсоединены к радиочастотным входам через простую пассивную согласующую сеть. Такая схема позволяет получить высокоэффективную приемопередающую архитектуру с одиночным антенным портом.

Третий усилитель мощности подключен к выводу PA_BOOST и позволяет через специальную согласующую сеть добиться максимального усиления +20 дБм, покрывая при этом весь частотный диапазон синтезатора частоты.

Модуль RFM95 содержит два синтезатора частоты со встроенными осцилляторами. Один покрывает нижнюю часть диапазона UHF (до 525 МГц), другой – верхнюю часть диапазона UHF (выше 860 МГц).

ФАПЧ синтезаторов оптимизирован для быстрой подстройки и автоматической калибровки. В режиме передачи модуляция частоты выполняется в цифровом виде в пределах рабочего диапазона ФАПЧ, а также поддерживается предварительная фильтрация для обеспечения улучшенной чистоты спектра.

Кроме того, RFM95 содержит встроенный осциллятор с RC-цепочкой, работающей на частоте 32 МГц, для соответствия всем требованиям к тактовому генератору в различных режимах работы. Все параметры радиотракта и цифрового конечного автомата могут быть настроены с помощью интерфейса SPI.

Модуль также содержит встроенный автоматический переключатель режимов работы, который позволяет выполнять переключение и калибровку различных режимов работы в короткое время, улучшая эффективность системы.

Использование режима LoRa: гибкие настройки для различных сценариев работы устройства

В отличие от устройств LoRaWAN, модули LoRa обеспечивают только функционал физического уровня беспроводных сетей и не привязаны к конкретному сетевому протоколу. Поэтому у разработчиков есть больше свободы и гибкости в проектировании архитектуры системы и реализации протокола связи. Например, на базе LoRa можно построить сеть устройств без использования базовых станций.

Разработчик может гибко настраивать критические параметры системы: формат кадра, скорость передачи, алгоритмы управления каналом, а также методы шифрования и стратегии энергопотребления.

Отсутствие жесткой привязки к фиксированному стеку протоколов позволяет реализовать эффективные механизмы управления питанием, включая уникальные режимы сна и пробуждения. Это минимизирует энергопотребление до микроамперного уровня и значительно увеличивает срок автономной работы.

В проектах, требующих высокой надежности при низкой себестоимости и умеренной сложности архитектуры, применение модулей LoRa может рассматриваться как эффективное техническое решение (рисунок 3).

Рис. 3. Основные параметры модуля RFM95 с режимом LoRa

Как беспроводной передатчик с поддержкой множества методов модуляции, RFM95 может применяться в приложениях, требующих передачи данных на большие расстояния, низкого энергопотребления и приемлемой стоимости.

Единая аппаратная платформа может быть адаптирована для множества коммуникационных протоколов и сценариев применения, помогая инженерам сократить время разработки и снизить стоимость конечного продукта.

Перевел Алексей Гребенников по заказу АО КОМПЭЛ