Электронные компоненты. Дистрибьюция и сервисы с 1993 г
№4 / 2017 / статья 6

Новый бюджетный приемопередатчик 433/868 МГц с бескомпромиссным качеством радиотракта

Сергей Нерухов (г. Москва)

Новый приемопередатчик 433/868 МГц S2-LP производства STMicroelectronics – преемник известного SPIRIT1. Высокая чувствительность позволила увеличить дальность передачи, а повышенная избирательность, ультранизкое энергопотребление и гибкость настроек при сохранении цены и малых габаритах делают новую микросхему прекрасным бюджетным решением для медицины, сельского хозяйства, охраны природы и интеллектуальных городских систем.

Одним из наиболее динамично развивающихся сегментов современной электроники является Интернет вещей (IoT). Рынок IoT за 2016 год вырос на треть, а в 2017 году ожидается рост на 40%. Отраслевые эксперты предсказывают, что к 2020 году в мире будет насчитываться 20…50 млрд. устройств, подключенных к Интернету. Расширяется и сфера применения IoT: энергетика, промышленность, жилищно-коммунальное, сельское хозяйство, транспорт, медицина – вот лишь некоторые сегменты экономики, в которых активно развивается концепция Интернета вещей. В странах Евросоюза, Китае, Южной Корее и Индии уже известны примеры внедрения IoT на уровне целых городов, благодаря чему удается повысить эффективность управления транспортными потоками и расходом энергии.

Приемопередатчик S2-LP (S2-LP)

Концепция Интернета вещей во многих случаях подразумевает использование радио в качестве канала передачи информации. С увеличением количества передающих устройств растет и уровень электромагнитных помех, что в свою очередь приводит к ужесточению требований к параметрам избирательности радиочастотных приемопередатчиков (трансиверов) и малого уровня энергопотребления. В начале 2017 года компания STMicroelectronics выпустила новый приемопередатчик S2-LP, обеспечивающий работу в субгигагерцевом диапазоне. Использование радиоканала с частотами до 1 ГГц позволяет добиться максимальной дальности передачи сигнала. Новая микросхема разработана для таких применений как автоматизация зданий, медицина, системы мониторинга для сельского хозяйства, автоматические парковки и интеллектуальные системы ЖКХ по сбору данных со счетчиков ресурсов. Данный приемопередатчик может работать в частотных диапазонах 430…470 МГц и 860…940 МГц. Помимо уже привычных типов модуляции 2-GFSK, OOK и ASK он также поддерживает модуляцию 4-GFSK/D-BPSK, а скорость передачи данных настраивается в диапазоне 0,3…500 кбит/с. S2-LP может работать в сетях LPWAN компании SigFox, а также имеет встроенный обработчик пакетов 802.15.4g. При своих миниатюрных габаритах (4×4 мм, корпус QFN24) данная микросхема обладает превосходными характеристиками: чувствительность до -130 дБм при скорости передачи данных 300 бит/с, выходная мощность на антенном разъеме – до 16 дБм. Кроме того, стоит отметить и отличные параметры энергопотребления: ток потребления 10 мА при выходной мощности 10 дБм в режиме низкого энергопотребления; 8 мА на приеме в режиме высокой производительности; 350 нА – в режиме ожидания.

По сравнению со своим предшественником, приемопередатчиком SPIRIT1, у S2-LP повышена чувствительность, благодаря чему увеличивается дальность передачи сигнала. Высокая избирательность S2-LP позволяет создавать на его основе устройства, которые будут соответствовать требованиям стандартов EN300-220 и EN303-131 к устройствам категории 1. Впервые примененный усилитель класса E позволил достигнуть лучшего в отрасли энергопотребления в режиме передачи. Приемопередатчик S2-LP является одним из лучших по параметрам радио (в частности, чувствительности и избирательности приемного тракта, а также диапазону выходных частот и улучшенной фильтрации). Также он имеет ультрамалое потребление, что делает его оптимальным выбором для самых требовательных приложений.

Технические параметры S2-LP

Рассмотрим отдельные технические параметры S2-LP и сравним их с соответствующими параметрами SPIRIT1. У приемопередатчика S2-LP повышена чувствительность за счет уменьшения наведенных помех. Это стало возможным вследствие разнесения SMPS-блока и ВЧ-тракта на печатной плате (рисунок 1) и увеличению расстояния между выводами SMPS и ВЧ-частью микросхемы (рисунок 2). Также была изменена схема внутреннего питания для организации лучшей развязки отдельных напряжений.

Рис. 1. Взаимное расположение SMPS-блока и ВЧ -тракта на печатной плате у приемопередатчи- ков SPIRIT1 и S2-LP (Spirit2)

Рис. 1. Взаимное расположение SMPS-блока и ВЧ -тракта на печатной плате у приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP (SPIRIT2)

Рис. 2. Взаимное расположение SMPS-блока и ВЧ -тракта на печатной плате у приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP

Рис. 2. Взаимное расположение SMPS-блока и ВЧ -тракта на печатной плате у приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP

Рис. 3. Чувствительность приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP при модуляции 2-FSK

Рис. 3. Чувствительность приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP при модуляции 2-FSK

Сравнение чувствительности приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP при модуляции 2-FSK приведено на рисунке 3. На нем мы видим, что среднее значение практического улучшения чувствительности приемопередатчика S2-LP по сравнению с таковой у микросхемы SPIRIT1 составляет 3 дБ в диапазоне скорости передачи данных 1,2…250 кбит/с. Микросхема S2-LP соответствует требованиям для работы в сети SigFox, где необходимо иметь чувствительность приемопередатчика не ниже -126 дБм при скорости передачи данных 600 бит/с.

В таблице 1 приведены ориентировочные значения дальности передачи сигнала приемопередатчиками SPIRIT1 и S2-LP при выходной мощности 10 дБм, скорости передачи данных 1,2 кбит/с и коэффициенте усиления антенны 0 дБи.

Таблица 1. Дальности связи SPIRIT1 и S2-LP

Среда распространения Радиус действия, м
SPIRIT1 S2-LP
Помещение 73 82
Городская среда 442 525
Открытое пространство 11200 14800

В современном мире параметр избирательности, то есть способности декодирования принимаемого сигнала в присутствии значительных помех на соседних частотах, играет важную роль, так как появляется все больше и больше устройств, работающих в диапазонах ISM, а также LTE-оборудование на смежных частотах. Различные стандарты разделяют устройства на категории по избирательности, а стандарты EN300-220 и EN303-131 предъявляют к устройствам категории 1 требование избирательности по соседнему каналу не менее 60 дБ при отстройке 2 МГц/10 МГц не менее 84 дБ. На сегодняшний день на рынке отсутствуют радиочастотные приемопередатчики, полностью соответствующие критериям категории 1 на частотах 433 и 868 МГц. Для устранения этого несоответствия приходится применять узкополосные ПАВ-фильтры, что негативно сказывается на стоимости изделия и его чувствительности (вносимые фильтром потери составляют ориентировочно 3 дБ). На малых скоростях передачи данных S2-LP соответствует требованиям категории 1, что позволяет избавиться от необходимости использования ПАВ-фильтра. По сравнению с микросхемой SPIRIT1 у приемопередатчика S2-LP улучшена фильтрация при отстройке 2 МГц (рисунок 4), а его канальный фильтр программируется вплоть до значения 6,25 кГц (у SPIRIT1 – до 12,5 кГц).

Рис. 4. Фильтрация по отстройке приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP

Рис. 4. Фильтрация по отстройке приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP

У приемопередатчика S2-LP предусмотрено несколько LDO для организации питания различных блоков. Гибкая система питания включает несколько режимов:

  • BM (Boost Mode) – режим повышенной мощности, в котором на антенном разъеме возможно получить мощность +16 дБм;
  • HPM (High Performance Mode) – режим высокой производительности, в котором задействуются внутренние LDO и достигается наилучшая изоляция вкупе с минимальными шумами и пульсацией SMPS;
  • LPM (Low Power Mode) – режим малого энергопотребления, в котором все узлы питаются напрямую от SMPS в обход внутренних LDO, а также повышается КПД.

Все перечисленные режимы питания доступны на одной печатной плате с одним перечнем элементов. Выходное напряжение SMPS программируется с шагом 0,1 В в диапазоне 1,1…1,8 В.

В таблицах 2, 3 и 4 приведены типовые значения параметров микросхемы S2-LP в зависимости от выбранного режима питания.

Таблица 2. Типовые значения тока потребления приемопередатчиков SPIRIT1 и S2-LP в зависимости от режима питания при напряжении питания 3 В

Приемопередатчик Ток потребления в режиме:
LPM (Vsmps = 1,2 В), мА HPM (Vsmps = 1,4 В), мА
S2-LP 7,1 8,4
SPIRIT1 9,5

Таблица 3. Типовые значения чувствительности приемопередатчика S2-LP для частот 433 МГц
и 868 МГц в зависимости от режима питания при скорости передачи данных 300 бит/с

Частота Чувствительность в режиме:
LPM (Vsmps = 1,2 В), дБм HPM (Vsmps = 1,4 В), дБм
433 МГц -131,4 -131,5
868 МГц -129,1 -129,3

Таблица 4. Типовые значения избирательности приемопередатчика S2-LP для различных отстроек
в зависимости от режима питания при скорости передачи данных 1200 бит/с

Отстройка Избирательность в режиме:
LPM (Vsmps = 1,2 В), дБ LPM (Vsmps = 1,2 В), дБ
+/- 2 МГц 82 81
+/- 10 МГц 85 84
Соседний канал 49 59

Как и у микросхемы SPIRIT1, у S2-LP есть режимы ожидания (Stand-by) и сна (Sleep A), однако у S2-LP есть и второй режим сна – Sleep B, в котором стало возможным сохранение данных в FIFO. В режимах же Stand-by и Sleep A ток потребления S2-LP значительно снижен по сравнению с его величиной у SPIRIT1, в чем можно убедиться, ознакомившись с данными таблицы 5.

Таблица 5. Типовые значения тока потребления SPIRIT1 и S2-LP

Режим S2-LP SPIRIT1 Улучшение
Shutdown, нА 2,5
Standby, нА 310 600 ≈ 50%
Sleep A, нА 640 850 ≈ 25%
Sleep B, нА 950

В приемопередатчике SPIRIT1 усилитель работал в классах AB и E, что являлось компромиссом между производительностью и энергопотреблением. В микросхеме S2-LP использован усилитель класса E, что позволяет максимизировать КПД и получить технически более совершенное решение. S2-LP является лучшим в своем классе трансивером по току потребления в режиме передачи (10 мА при 10 мВт).

Кроме того, S2-LP можно использовать с внешним интегральным балуном, который будет доступен в двух версиях: для диапазонов 433 МГц и 868 МГц.

При работе над программным обеспечением S2-LP были учтены замечания разработчиков к SPIRIT1. В частности, у S2-LP появился гибкий обработчик пакетов, благодаря чему поддерживаются преамбула большой длительности, синхрослово длиной до 64 бит (с точностью до бита), а также код Манчестера. Все это избавляет микроконтроллер от лишней обработки данных, что приводит к оптимизации энергопотребления на системном уровне.

S2-LP имеет встроенный обработчик пакетов стандарта 802.15.4g: декодирование физического уровня 802.15.4g, обработку полезной нагрузки 802.15.4g со 128-битным FIFO, возможность работы с двумя синхрословами, а также совместимый с 802.15.4g CRC. Все это упрощает реализацию стека 6LoWPAN.

Как уже упоминалось ранее, S2-LP поддерживает DUAL SYNC (то есть работу с двумя синхрословами). Вкратце работу в этом режиме можно описать следующим образом: микроконтроллер, управляющий S2-LP, попеременно задействует частоты 433 и 868 МГц до тех пор, пока не будет получен пакет с одним из синхрослов; при детектировании синхрослова происходит прием сигнала на частоте, соответствующей данному синхрослову. Благодаря быстрому обнаружению синхрослова снижаются ограничения на тайминги, что положительно влияет на быстродействие системы.

Как и у приемопередатчика SPIRIT1, у микросхемы S2-LP есть режим быстрого прекращения приема (Sniff Mode), однако в алгоритмах их работы есть различие. Вкратце логику работы этого режима у приемопередатчика SPIRIT1 можно описать следующим образом: находясь в режиме сна, приемопередатчик периодически пробуждается на короткое время для измерения уровня принимаемого сигнала (RSSI); если RSSI ниже порогового уровня, то приемопередатчик возвращается в режим сна; в противном случае приемопередатчик остается в режиме приема вплоть до конца пакета, после чего принимается решение о валидности принятых данных. Схематичная временная диаграмма работы SPIRIT1 в режиме Sniff Mode приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Временная диаграмма работы приемопередатчика SPIRIT1 в режиме Sniff Mode

Рис. 5. Временная диаграмма работы приемопередатчика SPIRIT1 в режиме Sniff Mode

Приемопередатчик S2-LP дополнительно обрабатывает ложное обнаружение данных. Работает это следующим образом: как и в случае со SPIRIT1, S2-LP находится в режиме сна до тех пор, пока RSSI не превысит пороговое значение, после чего запускается новый таймер, в окне которого можно задействовать оценку качества сигнала; если один из индикаторов качества не соответствует ожиданиям, то прием сигнала мгновенно прекращается, а приемопередатчик снова переходит в режим сна. Таким образом, при ложном захвате нет необходимости ждать окончания пакета, что помогает добиться снижения тока потребления. Схематичная временная диаграмма работы S2-LP в режиме Sniff Mode приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Временная диаграмма работы приемопередатчика S2-LP в режиме Sniff Mode

Рис. 6. Временная диаграмма работы приемопередатчика S2-LP в режиме Sniff Mode

Средства разработки

Рис. 7. Отладочная плата Steval-FKI868

Рис. 7. Отладочная плата Steval-FKI868

Для того чтобы разработчики смогли на практике оценить возможности приемопередатчика S2-LP, компания ST предлагает наборы для разработки на базе S2-LP – Steval-FKI868 (для частот 868/915 МГц) и Steval-FKI433 (для частоты 433 МГц). Внешний вид набора Steval-FKI868 представлен на рисунке 7.

В обоих случаях элементы обвязки четко разделены по функциональным блокам, что является отличным примером расстановки элементов с участием S2-LP и позволяет разработчикам быстрее освоиться с логикой работы платы, а также – в будущем – легко перенести подобное расположение элементов на свою печатную плату. На рисунке 8 представлено увеличение области с элементами обвязки на плате Steval-FKI868, а на рисунке 9 – соответствующая трассировка печатной платы.

Как в Steval-FKI868, так и в Steval-FKI433 материнской платой является Nucleo-L152RE, содержащая на борту микроконтроллер STM32L152RE, дебаггер-программатор ST-LINK/V2-1 с разъемом SWD, несколько вариантов питания, три светодиода, две кнопки и USB-порт. Осуществляется поддержка нескольких интегрированных сред разработки, таких как IAR™, ARM® Keil® и других.

Рис. 8. Плата Steval-FKI868 как пример расстановки элементов обвязки с участием S2-LP

Рис. 8. Плата Steval-FKI868 как пример расстановки элементов обвязки с участием S2-LP

Рис. 9. Трассировка блока элементов обвязки на плате Steval-FKI868

Рис. 9. Трассировка блока элементов обвязки на плате Steval-FKI868

В комплект поставки обоих наборов входит подробная документация, а также набор программного обеспечения STSW-S2LP-DK, в который входят:

  • графическая оболочка S2-LP DK GUI для Windows, представляющая собой интерактивный интерфейс регистров S2-LP и предназначенная для удобного конфигурирования параметров РЧ и обработчика пакетов;
  • библиотеки S2-LP и примеры кода;
  • низкоуровневый API для сопряжения материнской платы с дочерней платой;
  • драйвер HAL для STM32L1;
  • драйверы для ПК (виртуальный USB + устройство хранения данных).

Заключение

Новый приемопередатчик S2-LP имеет ряд преимуществ, благодаря которым он может с успехом применяться в системах с повышенными требованиями к времени жизни батареи и дальности связи. Малый уровень энергопотребления позволяет приемопередатчику работать более 10 лет от дискового элемента CR2032. Высокая выходная мощность 16 дБм и чувствительность -130 дБм позволяют передавать данные на расстояние более 10 км. Разумеется, всегда существует компромисс между выходной мощностью и потреблением, между чувствительностью и скоростью передачи данных. Благодаря чрезвычайной гибкости настроек радио, разработчик с помощью S2-LP сможет создать радиолинк, максимально оптимизированный под конкретные задачи. Высокие радиочастотные характеристики нового трансивера не привели к повышению цены микросхемы, что позволяет использовать S2-LP даже в бюджетных приложениях.

ST_S2-LP_SPIRIT2_NE_04_17

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
STM32L100RCT6 (ST) 107 532 3.8230 $ 224.47 руб. от 131 шт
SPIRIT1QTR (ST) 114 289 1.3710 $ 80.50 руб. от 4 500 шт
CR2032 (EEMB)
BAT CR2032
183 969 0.1131 $ 6.64 руб. от 4 425 шт
CR2032-PEN3-A10606 (EEMB)
BAT CR2032-PEN3
10 547 0.2252 $ 13.23 руб. от 2 220 шт
NUCLEO-L152RE (ST) 1 589 15.43 $ 905.80 руб. от 33 шт
STM32L151VBT6A (ST) 103 370 4.1918 $ 246.14 руб. от 540 шт
S2-LP (ST) 0
SPIRIT1 (ST) 0