Новинки Performance Line: лучшие беспроводные решения для субгигагерцевого диапазона

24 декабря 2013

Линейка Perfomance Line является результатом усилий специалистов Texas Instruments по улучшению характеристик предыдущего семейства приемопередатчиков CC1101, завоевавших заслуженное внимание у разработчиков. Основные усилия при разработке данной линейки были направлены на увеличение расстояния, на которое возможна передача данных при уменьшении общего энергопотребления. Для этого были улучшены такие характеристики приемника как чувствительность, избирательность и способ управления отдельными узлами и прибором в целом.

Общие характеристики семейства

На сегодняшний день в линейку Perfomance Line, кроме уже известных CC1120, CC1121, CC1125, СС1175, добавились новые приемопередатчики — CC1200 и СС1201. Указаные микросхемы могут быть использованы для создания радио-тракта в пределах всего диапазона <1 ГГц. Приемопередатчики способны работать в частотных диапазонах 164…192, 410…480, 820…960 МГц, а СС1125 — еще и в диапазоне 274…320 МГц с поддержкой различных режимов модуляции (2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK). Все представители линейки Perfomance Line совместимы между собой как по выводам, так и по конфигурации регистров управления. Типовая схема включения микросхем представлена на рисунке 1.

Типовая схема включения

Рис. 1. Типовая схема включения

Условно микросхемы линейки Perfomance Line можно разделить на два подсемейства: СС112х и СС12хх, что отражено в названии самих микросхем. Основными отличиями между этими двумя подсемействами является наличие в СС12xx блока AES-128 и поддержки скоростей передачи данных до 1 Мб/с (таблица 1).

Таблица 1. Отличительные особенности линейки Performance Line

Технические характеристики Наименование
CC1121 CC1201 CC1120 CC1200 CC1125
Узкая полоса (12,5/25 кГц) + + +
Скорость до 200 кбит/с + + + + +
Скорость до 1 Мбит/с + +
Поддержка аппаратного
AES-шифрования
+ +
Режим 802.15.4g FSK (50 кбит/с) + + + + +
802.15.4g FSK все скорости + +
Аппаратная поддержка пакетов 802.15.4g DualSync (two concurrent sync words) + + + + +
CRC and Whitening + +
Forward Error Correction (FEC) + +
WMBUS all modes (C, N, S, T) + + + + +
WaveMatch и RX SniffMode + + + + +
ETSI Category 1 at 868 MГц +
ETSI Category 1 at 169 MГц + + +

Но, к сожалению для тех, кто хорошо знаком с семейством СС1101, новая линейка не является совместимой с ней, что связано с существенными изменениями и улучшениями внутренней архитектуры приемопередатчика. Примененные схемные решения позволили автоматизировать большинство общих задач, связанных с обработкой радиосигнала, тем самым уменьшая требования по загрузке основного контроллера. Архитекрура линеек микросхем СС112х и СС12хх представлена на рисунке 2. Внешне изменения вылились в увеличение корпуса (корпус QFN32 вместо QFN20), и разделение выводов для дифференциального входного усилителя и выходного усилителя мощности (в СС1101 выводы были совмещены). Значительно больше изменений коснулось внутренней архитектуры.

Структурная схема приемопередатчиков СС112х и СС12хх

Рис. 2. Структурная схема приемопередатчиков СС112х и СС12хх

Среди основных изменений представленной линейки следует выделить следующие: улучшение параметров встроенного синтезатора, использование цифровых фильтров, использование встроенного контроллера для реализации режимов пониженного энергопотребления, аппаратная поддержка детектирования синхрослова, проверка адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы, поддержка ретрансляции пакетов, автоматическая отправка подтверждения принятия пакета, увеличение буфера обмена данных. Размеры приемного и передающего буфера увеличены до 128 байт каждый, что упрощает передачу больших объемов данных. Кроме того, возможен прием пакета без участия внешнего контроллера.

Улучшенные характеристики приемного тракта являются результатом применения нового встроенного частотного синтезатора с низким уровнем фазовых шумов и переноса обработки сигнала в цифровую область, что стало возможным за счет применения АЦП и цифровых фильтров. По сравнению с предшественниками уровень фазовых шумов генератора снижен до уровня -107 дБн/Гц при отстройке 100 кГц относительно центральной частоты, до уровня -127 дБн/Гц — при отстройке 1 МГц, при характериситиках для СС1101 — -92 дБн/Гц и -107 дБн/Гц при тех же отстройках от несущей (данные представлены для частотного диапазона 433 МГц).

Применение в сигнальном тракте АЦП с динамическим диапазоном 90 дБ позволяет полностью перейти на последующую цифровую обработку сигнала, включая его фильтрацию. Цифровые фильтры помимо лучших характеристик в полосе пропускания и подавления сигнала вне полосы обеспечивают высокую стабильность параметров вне зависимости от напряжения питания, температуры и вариаций технологического процесса. Фильтрами обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала — более 80 дБм.

Высокий уровень подавления соседних каналов позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона или при большом количестве устройств на одной территории, повышает совместимость систем, использующих СС112х и СС12х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал. Упрощается процесс установки беспроводных узлов, так как ограничивается зона их взаимного влияния, в том числе, если узлы работают как в одной, так и в разных частотных полосах и каналах.

Снижение энергопотребления связано с применением встроенного низкопотребляющего контроллера и реализации улучшенных алгоритмов управления питанием. По сравнению с СС1101 уменьшено время выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема до 150 мкс. Также поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи CCA (Clear Channel Assessment), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Уровень принятого сигнала может быть оценен с высокой степенью линейности в широком диапазоне.

Важным дополнением к энергосберегающим режимам приемопередатчика стал новый режим прослушивания радио­канала (т.н. Channel Sniff Mode). Для снижения энергопотребления в режиме приема в линейке Performance Line реализован новый режим RF Channel Shiff Mode — режим прослушивания канала. Режим RF Channel Shiff Mode позволяет автоматически обнаруживать активность в радиоканале. В этом режиме приемник автоматически через короткие промежутки времени проверяет наличие передачи в канале, после чего отключается, и в следующем периоде времени ситуация повторяется. Период включения приемника установлен короче, чем длина преамбулы пакета. Приемнику в СС112х требуется всего лишь время четырех бит преамбулы пакета для установления режима, включая компенсацию смещения частоты и автоматическую регулировку усиления — время перехода из режима IDLE в режим приема (RX) около 150 мкс. Все время активности приемника от запуска генератора до начала прослушивания эфира составляет порядка 500 мкс при общей длительности активной фазы цикла около 670 мкс (зависит от текущих настроек приемопередатчика).

Режим прослушивания канала RF Channel Shiff Mode абсолютно прозрачен для пользователя, никак не влияет на такие характеристики приемопередатчика, как чувствительность, избирательность, и позволяет уменьшить энергопотребление в режиме приема без снижения производительности.

Улучшения в линейке Performance Line коснулись и Wake-on-Radio — режима пробуждения для прослушивания канала (пробуждение по наличию радиосигнала). В данном режиме радиоприемная часть периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер, тактируемый от внутреннего RC-генератора, который периодически генерирует два сигнала — включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора (режим IDLE), а через некоторое время — включение режима приема (RX). Если в течение установленного времени пакет не пришел — приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем — в режим SLEEP.

По сравнению с приемопередатчиками CC1101 уменьшено энергопотребление 32 кГц RC-таймера, добавлена возможность автоматической калибровки таймера, изменена схема работы приемника в активной фазе. В активной фазе Wake-on-Radio приемник работает в режиме прослушивания канала RF Sniff Mode.

Микросхемы линейки Performance Line могут работать с более узкополосными каналами, чем их предшественники. Так, при ширине канала всего 6,25 кГц, поддерживается скорость передачи до 4,8 кбит/с, а при канале в 12,5 кГц — 9,6 кбит/с. Таких скоростей передачи данных вполне хватает для многих задач телеметрии.

Приятным дополнением к работе радиочасти устройств линейки Performance является режим совместимости с устройствами стандарта 802.15g. Это позволяет без опаски использовать проприетарные протоколы без нарушения работоспособности существующих сетей (например, возможна совместная работа с сетями стандартов ZigBee или 6LoWPAN). Сравнительная характеристика параметров подсемейств СС112х и СС12хх линейки Perfomance Line представлена в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительная характеристика параметров подсемейств СС112х и СС12хх линейки Performance Line

Технические
характеристики
Наименование
CC1101 CC1121 CC1201 CC1120 CC1200
Чувствительность, дБм -116 -120 -120 -123 -122
Подавление соседнего канала (±100 кГц), дБм 37 48 35 52 52
Максимальная выходная мощность, дБм 12 14…16 14…16 14…16 14…16
Частотные диапазоны, МГц 300…348; 164…192; 164…192;
387…464; 410…480; 410…480;
779…928; 820…960 820…960
Минимальная ширина канала, кГц 50 50 12,5
Максимальная ширина канала, кГц 800 250 250
Максимальная скорость передачи, кбит/сек 600 200 200
Режимы модуляции 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK, FM 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK, FM
Режимы работы приемника Обычный, Wake-on-Radio Обычный, Wake-on-Radio, Sniff Mode Обычный, Wake-on-Radio, Sniff Mode Обычный, Wake-on-Radio, Sniff Mode Обычный, Wake-on-Radio, Sniff Mode
Фазовый шум
10/100/1000 кГц, дБн/Гц
-0,009142625 -0,007553708 -0,007553708

Дополнительного выигрыша в энергопотреблении можно достичь, используя внешний DC/DC-преобразователь TPS62730 (рисунок 3).

Блок-схема использования DC/DC-преобразователя TPS62730

Рис. 3. Блок-схема использования DC/DC-преобразователя TPS62730

Для использования TPS62730 необходимо только два внешних элемента. Применение преобразователя TPS62730 позволяет увеличить эффективность системы, уменьшить ток потребления от батареи до 30% и тем самым увеличить время работы от батареи, а также устранить провалы в напряжении при пиковых нагрузках.

Заключение

Расширение линейки беспроводных устройств LPRF Performance Line производства компании Texas Instruments позволяет увеличить скорость передачи данных, не теряя при этом своих характеристик. Благодаря высокой избирательности фильтров, наряду с высокой чувствительностью и плавной регулировкой выходной мощности устройства этой линейки обеспечивают надежный радиоканал при высоком уровне канальных помех и плотном размещении узлов. Применение режимов RF Sniff Mode и Wake-on-Radio существенно снижает энергопотребление в режиме приема, что обеспечивает увеличение времени работы от батареи.

Литература

  1. http://www.prnewswire.com/news-releases/gsma-announces-that-the-proliferation-of-connected-devices-will-create-a-us12-trillion-revenue-opportunity-for-mobile-operators-by-2020-131484733.html
  2. Sub-1 GHz Performance Line — TI.com http://www.ti.com/ww/en/analog/sub_1_GHz_performance_line_rf_ic/index.shtml
  3. High Performance Low Power RF Transceiver// http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc1121.pdf
  4. Low Power, High Performance RF Transceiver// http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc1200.pdf
  5. Step Down Converter with Bypass Mode for Ultra Low Power Wireless Applications http://www.ti.com/product/tps62730.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: wireless.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
CC1120RHBT (TI)
CC1121RHBT (TI)
CC1120RHBR (TI)
CC1120-CC1190EM868RD (TI)
CC1120EM-420-470-RD (TI)
CC1206KRX7R9BB104 (YAG)
CERCAP 0.1/50V 1206 KX7R (YAG)
CC1206KKX7R9BB224 (YAG)
CERCAP 0.22/50V 1206 KX7R (YAG)
CC1206KKX7RBBB103 (YAG)
CC1206KKX7R8BB106 (YAG)
CC1206KKX7R8BB105 (YAG)