РЧ-модуль

Радиочастотный модуль (сокращение от радиочастотного модуля ) — это (обычно) небольшое электронное устройство, используемое для передачи и/или приема радиосигналов между двумя устройствами. Во встроенной системе часто желательно осуществлять беспроводную связь с другим устройством . Эта беспроводная связь может осуществляться посредством оптической связи или посредством радиочастотной (РЧ) связи. Для многих приложений предпочтительной средой является радиочастотная связь, поскольку она не требует прямой видимости. Радиочастотная связь включает в себя передатчик и приемник . Они бывают разных типов и диапазонов. Некоторые могут передавать на расстояние до 500 футов. Радиочастотные модули обычно изготавливаются с использованием RF CMOS технологии .

Радиочастотные модули широко используются в электронном проектировании из-за сложности проектирования радиосхем. Проектирование хорошего электронного радио общеизвестно сложно из-за чувствительности радиосхем и точности компонентов и схем, необходимых для работы на определенной частоте. Кроме того, надежная схема радиочастотной связи требует тщательного мониторинга производственного процесса, чтобы гарантировать отсутствие негативного влияния на радиочастотные характеристики. Наконец, на радиосхемы обычно распространяются ограничения на излучаемые излучения, а также требуется тестирование на соответствие и сертификация организацией по стандартизации, такой как ETSI США или Федеральная комиссия по связи (FCC). По этим причинам инженеры-конструкторы часто проектируют схему для приложения, требующего радиосвязи, а затем «подключают» готовый радиомодуль вместо того, чтобы пытаться разработать дискретную конструкцию, экономя время и деньги на разработку.

Радиочастотные модули чаще всего используются в продуктах среднего и малого объема для потребительских применений, таких как устройства открывания гаражных ворот, беспроводные системы сигнализации или мониторинга, промышленные пульты дистанционного управления , интеллектуальные сенсорные приложения и беспроводные системы домашней автоматизации . Иногда их используют для замены старых конструкций инфракрасной связи, поскольку они имеют то преимущество, что не требуют работы в прямой видимости.

В коммерчески доступных радиочастотных модулях обычно используются несколько несущих частот, в том числе в промышленных, научных и медицинских (ISM) радиодиапазонах, таких как 433,92 МГц, 915 МГц и 2400 МГц. Эти частоты используются в соответствии с национальными и международными правилами, регулирующими использование радио для связи. Устройства ближнего радиуса действия также могут использовать частоты, доступные для нелицензионного использования, например 315 МГц и 868 МГц.

Радиочастотные модули могут соответствовать определенному протоколу радиочастотной связи, такому как Zigbee , Bluetooth Low Energy или Wi-Fi , или они могут реализовывать собственный протокол .

Типы радиочастотных модулей

Термин «РЧ-модуль» может применяться ко многим различным типам, формам и размерам небольших электронных монтажных плат . Его также можно применять к модулям с огромным разнообразием функций и возможностей. Радиочастотные модули обычно включают в себя печатную плату , схему передачи или приема, антенну и последовательный интерфейс для связи с главным процессором.

Здесь описаны большинство стандартных, хорошо известных типов:

модуль передатчика
модуль приемника
модуль приемопередатчика
система на чип- модуле.

Модули передатчика

Модуль радиочастотного передатчика представляет собой небольшой узел печатной платы, способный передавать радиоволны и модулировать эту волну для передачи данных. Модули передатчика обычно реализуются вместе с микроконтроллером , который передает в модуль данные, которые можно передать. На радиочастотные передатчики обычно распространяются нормативные требования , которые диктуют максимально допустимую выходную мощность передатчика , гармоники и требования к краю полосы.

Приемные модули

Модуль радиочастотного приемника принимает модулированный радиочастотный сигнал и демодулирует его. Существует два типа модулей радиочастотного приемника: супергетеродинные приемники и сверхрегенеративные приемники . Сверхрегенеративные модули обычно представляют собой недорогие и маломощные конструкции, в которых используется серия усилителей для извлечения модулированных данных из несущей волны. Сверхрегенеративные модули, как правило, неточны, поскольку их частота работы значительно зависит от температуры и напряжения источника питания. ^{[ нужна ссылка ]} Супергетеродинные приемники имеют преимущество в производительности по сравнению со сверхрегенеративными; они обеспечивают повышенную точность и стабильность в широком диапазоне напряжений и температур. Эта стабильность достигается за счет конструкции с фиксированным кристаллом, которая в прошлом, как правило, означала сравнительно более дорогой продукт. Однако достижения в разработке микросхем приемников теперь означают, что в настоящее время разница в цене между супергетеродинными и сверхрегенеративными приемными модулями невелика.

Модули трансивера

Модуль радиочастотного приемопередатчика включает в себя как передатчик, так и приемник. Схема обычно предназначена для полудуплексной работы, хотя доступны и полнодуплексные модули, которые обычно стоят дороже из-за дополнительной сложности.

Модуль системы на кристалле (SoC)

Модуль SoC аналогичен модулю приемопередатчика, но он часто состоит из встроенного микроконтроллера. Микроконтроллер обычно используется для обработки пакетов радиоданных или управления протоколом, таким как модуль, совместимый с IEEE 802.15.4 . Этот тип модуля обычно используется для проектов, требующих дополнительной обработки для соответствия протоколу, когда разработчик не желает включать эту обработку в главный микроконтроллер.

Интерфейс хост-микроконтроллера

Радиочастотные модули обычно обмениваются данными со встроенной системой, такой как микроконтроллер или микропроцессор. Протоколы связи включают UART , используемый в Digi International модулях X-Bee компании , шину последовательного периферийного интерфейса , используемую в Anaren модулях AIR компании , и универсальную последовательную шину, используемую в модулях Roving Networks. Хотя модуль может использовать стандартизированный протокол беспроводной связи, команды, передаваемые через интерфейс микроконтроллера, обычно не стандартизированы, поскольку каждый поставщик имеет свой собственный формат связи. Скорость интерфейса микроконтроллера зависит от скорости используемого базового радиочастотного протокола: более скоростные радиочастотные протоколы, такие как Wi-Fi, требуют высокоскоростного последовательного интерфейса, такого как USB, тогда как протоколы с более медленной скоростью передачи данных, такие как Bluetooth Low Energy, могут использовать интерфейс UART.

Модуляция радиочастотного сигнала

Существует несколько типов методов модуляции цифрового сигнала, обычно используемых в модулях радиочастотного передатчика и приемника:

Подробное описание, преимущества и недостатки приведены в статьях по ссылкам выше.

Основные факторы, влияющие на производительность радиочастотного модуля

Как и в случае любого другого радиочастотного устройства, производительность радиочастотного модуля будет зависеть от ряда факторов. Например, за счет увеличения мощности передатчика будет достигнуто большее расстояние связи. Однако это также приведет к более высокому энергопотреблению передатчика, что приведет к сокращению срока службы устройств с батарейным питанием. Кроме того, использование более высокой мощности передачи сделает систему более склонной к помехам с другими радиочастотными устройствами и фактически может привести к тому, что устройство станет незаконным в зависимости от юрисдикции. Соответственно, увеличение чувствительности приемника также увеличит эффективную дальность связи, но также потенциально может вызвать сбои в работе из-за помех от других радиочастотных устройств.

Производительность всей системы можно улучшить, используя согласованные антенны на каждом конце линии связи, например описанные ранее.

Наконец, указанное удаленное расстояние любой конкретной системы обычно измеряется в конфигурации прямой видимости под открытым небом без каких-либо помех, но часто встречаются препятствия, такие как стены, полы или плотная конструкция, поглощающая радиоволновые сигналы, поэтому Эффективное рабочее расстояние в большинстве практических случаев будет меньше указанного.

Физическое подключение модуля

используются различные методы: Для крепления ВЧ-модуля к печатной плате с помощью технологии сквозного монтажа или технологии поверхностного монтажа . Технология сквозных отверстий позволяет вставлять и снимать модуль без пайки. Технология поверхностного монтажа позволяет прикрепить модуль к печатной плате без дополнительного этапа сборки. Соединения для поверхностного монтажа, используемые в радиочастотных модулях, включают массив наземной сети (LGA) и зубчатые площадки. Пакет LGA позволяет использовать модули небольших размеров, поскольку все площадки находятся под модулем, но для проверки соединений необходимо просвечивать соединения. Зубчатые отверстия позволяют осуществлять оптический осмотр соединения, но физически увеличивают занимаемую площадь модуля для размещения контактных площадок.

Беспроводные протоколы, используемые в радиочастотных модулях

Радиочастотные модули, особенно модули SoC, часто используются для связи в соответствии с заранее определенным стандартом беспроводной связи, в том числе:

Однако радиочастотные модули также часто обмениваются данными, используя собственные протоколы, например те, которые используются в устройствах открывания гаражных ворот.

Типичные применения

Мониторинг транспортных средств
Пульт дистанционного управления
Телеметрия
Беспроводная сеть малого радиуса действия
Показания беспроводного счетчика
доступа Системы контроля
Беспроводные системы домашней безопасности
Пейджинг области
Система сбора промышленных данных
Чтение радиотегов
RF бесконтактные смарт-карты
Беспроводные терминалы передачи данных
Беспроводные системы пожарной безопасности
Получение биологического сигнала
Гидрологический и метеорологический мониторинг
Пульт дистанционного управления роботом
Беспроводная передача данных
Цифровая передача видео/аудио
Цифровая домашняя автоматизация , например, дистанционное освещение/выключатель
Промышленное дистанционное управление, телеметрия и дистанционное зондирование
Системы сигнализации и беспроводная передача различных типов низкоскоростного цифрового сигнала
Пульт дистанционного управления для различных типов бытовой техники и электроники.
Многие другие области применения связаны с беспроводным радиочастотным управлением.
Мобильный веб-сервер для мониторинга пожилых людей

Сертификация радиочастотного модуля в случае интеграции конечного продукта

Окончательное соответствие продукта нормативным требованиям, основанного на интегрированном совместимом RF-модуле (как и большинство современных устройств Интернета вещей), является распространенным недоразумением. Модуль, соответствующий основным требованиям правил страны ( FCC , CE, ICES , ANATEL и т. д.), вряд ли когда-либо соответствует конечному продукту. Однако это не означает, что при интеграции совместимого радиочастотного модуля требуется полное тестирование на соответствие. Интеграция совместимого модуля имеет множество преимуществ.

Радиочастотный модуль играет важную роль в современном потребительском продукте, но является лишь частью конечного продукта. Радиомодули развивались с течением времени. Бортовые стабилизаторы напряжения и встроенная антенна обычно стараются гарантировать, что радиоэффекты останутся неизменными независимо от их хоста. Вы можете обратиться к большинству измерений радиочастотного спектра на модульном уровне для проверки соответствия при тестировании и сертификации вашего продукта в лаборатории EMC, RF, аккредитованной по стандарту ISO 17025.

В конце концов, это конечный продукт, который должен соответствовать нормативам. Такие аспекты, как здоровье, безопасность и восприимчивость к излучению, невозможно охватить на модульном уровне.

Внешние ссылки

Ф. Иган, Уильям (2003). Практическое проектирование радиочастотной системы . Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-20023-9 .
Фэйролл, Джон (2002). Введение в маломощное радио . ООО «РФ Солюшнс» ISBN 978-0-9537231-0-2 .