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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Microcircuits pour modems radio. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radiocommunications civiles La transmission de données sur de courtes distances par radio devient de plus en plus courante dans la vie quotidienne. Les « clés radio » pour les alarmes de voiture et le contrôle à distance de divers objets sont déjà devenues courantes, les « souris radio » et les « claviers radio » d'ordinateurs gagnent en popularité, etc. Le moment est venu de connecter sans fil les ordinateurs à un réseau. Cet article présentera aux lecteurs des microcircuits spécialisés conçus pour résoudre de tels problèmes. Jusqu'à récemment, tous ceux qui voyaient pour la première fois l'arrière de l'unité centrale d'un ordinateur en état de marche étaient étonnés par le réseau de fils et de câbles qui y étaient attachés, qui allaient à un nombre considérable d'appareils interagissant avec l'ordinateur. L'introduction d'un bus USB qui contourne tous les appareils en série simplifie le réseau câblé, mais ne résout pas complètement le problème. Les tentatives visant à utiliser le rayonnement infrarouge pour la communication entre un ordinateur et sa périphérie ne sont pas très fructueuses, car une visibilité directe est requise entre la source et le récepteur des rayons IR et la portée réelle d'une communication fiable ne dépasse pas deux mètres. De plus, les équipementiers concurrents n’ont pas encore développé de protocole d’échange de données unifié. Par conséquent, la présence d'un adaptateur IrDA dans votre ordinateur ne garantit pas la capacité de communiquer avec l'un des appareils équipés d'IrDA. Récemment, l'idée d'organiser une communication « à courte portée » entre des ordinateurs situés dans la même pièce ou des pièces adjacentes et les appareils interagissant avec eux (imprimantes, scanners, modems, etc.) via un canal radio s'est de plus en plus développée. Cependant, malgré l'apparente simplicité et l'évidence de cette approche, sa mise en œuvre rencontre tellement de difficultés que le problème ne peut toujours pas être considéré comme résolu. Au moins, l'objectif proclamé par certains développeurs « ajouter une puce à chaque ordinateur et périphérique - et c'est fait » est encore très loin. Néanmoins, « le processus a commencé ». Des tentatives sont en cours pour développer des technologies et des protocoles unifiés pour les communications radio informatiques « locales ». Les plus connus d'entre eux Bluetooth, IEEE 802.11, UWB et Nome RF se font concurrence. Le gagnant sera identifié en évaluant dans la pratique les avantages et les inconvénients déclarés des technologies proposées dans un avenir proche. Entre-temps, les fabricants de nœuds nécessaires à la communication utilisant n'importe quel protocole - microcircuits d'émetteurs-récepteurs micro-ondes (émetteurs-récepteurs) - se concentrant sur l'un des protocoles, prévoient néanmoins la possibilité d'en utiliser d'autres. Dans cet article, nous parlerons de certaines de ces puces. Société norvégienne BlueChip Communications AS produit des microcircuits émetteurs-récepteurs radio monopuces ВСС418 et ВСС918, qui se caractérisent par une micro-consommation d'énergie, la capacité de fonctionner dans une large plage de températures (de -40 à +85 ° C) et sont principalement destinés à l'échange de données numériques dans les réseaux radio dans les gammes 400 et 900 MHz. Les principales applications de ces émetteurs-récepteurs sont les capteurs à distance utilisés dans l'industrie, les systèmes de sécurité et la médecine. De plus, ils peuvent être utilisés dans les systèmes de surveillance environnementale, les réseaux radio informatiques à faible débit, les lecteurs de codes-barres à distance, la radiomessagerie bidirectionnelle, etc. Les microcircuits sont similaires dans leur structure et leurs paramètres internes, sont produits dans des boîtiers en plastique TQFP-44 (dimensions 12x12 mm) avec un brochage à quatre côtés et ne diffèrent que par le fait que VSS418 couvre la plage de 300 à 600 MHz et VSS918 - 700. ..1100 MHz. La fréquence de fonctionnement et les autres modes de fonctionnement des microcircuits émetteurs-récepteurs sont définis à l'aide d'une commande de 80 bits entrée dans un code binaire série dans un registre spécial du microcircuit. Pour assurer la flexibilité dans l'utilisation de ces microcircuits, il est possible de programmer huit niveaux de puissance de sortie de l'émetteur (intervalle - 3 dB, niveau maximum - 10 mW), deux (pour VSS418) ou quatre (pour VSS918) valeurs de gain de les étages d'entrée du récepteur (permet de réduire la sensibilité de 25 ..33 dB), ainsi que quatre bandes passantes de filtre passe-bas (10, 30, 60 ou 200 kHz). D'autres caractéristiques de conception de ces émetteurs-récepteurs incluent l'utilisation d'une méthode de conversion de fréquence directe dans le récepteur, la présence d'un synthétiseur de fréquence à deux canaux avec une boucle PLL externe, fournissant une grille de fréquence très dense (centaines de hertz), les sorties du détecteur de verrouillage LockDet. et le niveau du signal RSSI reçu, ainsi qu'un récepteur de filtre passe-bas à gyrateur elliptique à sept pôles réglable intégré. Pour transmettre des informations, la modulation par déplacement de fréquence porteuse (FSK) est utilisée avec un écart sélectionné en fonction de la vitesse de réception/transmission des données requise. Le taux de transmission maximum pris en charge par les puces émetteur-récepteur BCC est de 128 kBauds. Pour des vitesses de 9,6 kBauds et moins, l'écart recommandé est de ±25 kHz. Avec une sensibilité du récepteur de -105 dBm et des antennes omnidirectionnelles, cela garantit une portée de communication dans un espace ouvert allant jusqu'à 700 M. La tension d'alimentation nominale est de 3 V. La consommation de courant en mode émission ne dépasse pas 50 mA, en mode réception - 8 mA, en mode veille - moins 2 µA. L'oscillateur maître de l'émetteur et l'oscillateur local du récepteur sont un synthétiseur de fréquence composé d'un oscillateur commandé en tension (VCO), de deux diviseurs de fréquence programmables et d'une boucle PLL (PLL). Pour stabiliser la fréquence du synthétiseur, il est recommandé d'utiliser un résonateur à quartz de haute qualité avec une fréquence de 10 MHz. Dans les puces émetteur-récepteur BCC, en fonction du taux de transfert de données requis, il est possible d'utiliser l'une des quatre manières de manipuler la fréquence de l'émetteur - en modifiant le coefficient de division de l'un des compteurs du synthétiseur, en basculant entre deux diviseurs de fréquence programmés, en modulant ( en faisant glisser) la fréquence d'un résonateur à quartz de référence, ou une modulation directe du VCO. La partie réceptrice est réalisée selon un circuit de conversion de fréquence directe et contient un détecteur de fréquence numérique. La démodulation est effectuée en comparant les phases du signal reçu dans les canaux en phase I et en quadrature Q. Si dans le canal I il est en retard sur Q, la fréquence du signal est supérieure à la fréquence de l'oscillateur local ; si elle est en avance, elle lui est inférieure. En règle générale, la soi-disant « gigue » (edge gigue) des données reçues inhérente à de tels circuits ne crée aucun problème lors de la réception de données numériques, mais son ampleur doit être prise en compte dans les cas où le moment de l’arrivée du front de signal est importante. La gigue diminue avec l'augmentation de l'écart de fréquence ΔF, tandis que sa valeur maximale ne dépasse pas 1/(4ΔF). Le système PLL ajuste l'oscillateur local sur la fréquence moyenne du signal. Par conséquent, afin d'éviter les échecs, la séquence de codes transmise doit contenir un nombre égal de zéros et de uns logiques. Cette exigence, commune aux systèmes de communication numérique, doit être prise en compte lors du choix d'une méthode de codage des données transmises. BlueChip Communications recommande d'utiliser le code de bloc Manchester ou 4BXNUMXB à cette fin. Pour contrôler le fonctionnement de la PLL dans les émetteurs-récepteurs BCC, il est possible d'utiliser une sortie LockDet spécialement conçue - un détecteur de verrouillage. La tension constante à la sortie RSSI est proportionnelle au logarithme de la puissance du signal à l'entrée du récepteur, et cette dépendance est maintenue sur une plage dynamique d'environ 70 dB. Un schéma de connexion typique pour le microcircuit BCC418 est présenté sur la Fig. 1. Varicap D1 et ses environs - éléments VCO et PLL. Le résonateur à quartz ZQ1, comme déjà mentionné, définit la fréquence de référence. Les inductances et la plupart des condensateurs sur le côté droit du schéma sont inclus dans le circuit micro-ondes pour faire correspondre l'entrée et la sortie de l'émetteur-récepteur avec l'antenne WA1. Le circuit R15D3L3D2 est utilisé pour connecter l'antenne à l'entrée du récepteur ou à la sortie de l'émetteur de la puce émetteur-récepteur.
Sur la base des microcircuits BCC418 et BCC918, des modules micro-ondes RFB433, RFB868 et RFB915 sont produits, construits selon des schémas similaires à ceux évoqués ci-dessus (Fig. 1). Ils ont des dimensions d'environ 25x25x3 mm et des bornes adaptées au montage en surface. Les modules sont optimisés (réglés par le fabricant) pour un débit de transmission de 19,2 kBauds et un fonctionnement respectivement dans les bandes ISM 433,4...434,4 MHz, 868,8...869 MHz et 903...927 MHz, alors qu'ils peuvent fonctionner sur une gamme de fréquences plus large. Une antenne adaptée (avec une impédance d'alimentation de 50...100 Ohms) peut être connectée directement aux modules, sans éléments micro-ondes supplémentaires. L'abréviation ISM désigne généralement des plages conçues pour fonctionner avec les rayonnements d'équipements à des fins industrielles (industrielles), scientifiques (scientifiques) et médicales (médicales). En Europe et aux États-Unis, aucune licence n'est requise pour opérer dans ces bandes. BlueChip Communications propose aux développeurs de matériel des cartes d'évaluation (kits d'évaluation, lot de 2 pièces) contenant un module micro-ondes, une antenne à circuit imprimé et un microcontrôleur PIC16LC63A. Grâce au logiciel fourni avec les cartes, vous pouvez organiser un transfert de données bidirectionnel entre deux ordinateurs situés à une distance allant jusqu'à 300 M. L'un des derniers développements de l'entreprise est le modem radio MOD433, connecté via une interface RS232 au port COM. de l'ordinateur, à une source d'alimentation de 6..9 V et à une antenne externe adaptée. Le modem radio est configuré pour un taux de transfert de données de 19,2 kBauds et utilise dix fréquences de fonctionnement dans la plage 433,4...434,4 MHz, balayées automatiquement à une fréquence de 100 ms. Les émetteurs-récepteurs en bande ISM sont également produits par d'autres sociétés. Par exemple, Texas Instrument fabrique des microcircuits TRF6900 et TRF6901 dans le boîtier PQFP-48. Le premier d'entre eux couvre la bande de fréquences 850...950 MHz, le second - 860...930 MHz. La puissance de l'émetteur est de 3 mW, le bruit du récepteur est de 3,3 dB. L'interface numérique externe des émetteurs-récepteurs est centrée sur le microcontrôleur MSP430 de la même société. La société américaine Atmel Corporation, connue pour ses puces mémoire et ses microcontrôleurs, n'est pas restée à l'écart . Après avoir rejoint la Bluetooth Association (d'ailleurs, le nom vient du surnom du roi Harald, qui régna sur le Danemark et la Norvège au 76ème siècle), elle a développé un certain nombre de microcircuits à l'appui de ce protocole. Le plus complexe d'entre eux est le contrôleur de protocole AT511C176. Il suffit de dire qu'il est fabriqué dans un boîtier à 32 broches, contient un cœur de calcul RISC 7 bits ARM256TDMI et que pour exécuter toutes les fonctions Bluetooth, il nécessite XNUMX Ko de RAM externe et la même quantité de FLASH ou autre non volatile. mémoire. Pour communiquer avec un ordinateur, la puce AT76C511 est équipée de trois interfaces différentes : USB, PCMCIA et un émulateur UART 16550. A l'avenir, il est prévu de sortir des versions simplifiées, dont chacune n'aura qu'une seule interface. Le contrôleur organise la communication radio, « commandant » le module micro-ondes - le microcircuit T2901 de la même société. La communication s'effectue sur 79 fréquences fixes dans la gamme 2400...2500 MHz. Selon le protocole Bluetooth, la fréquence de fonctionnement change brusquement toutes les 625 μs, et la loi du changement est connue des abonnés qui ont établi la connexion, mais imprévisible pour les autres. En conséquence, deux ou plusieurs canaux de communication fonctionnant simultanément dans la même bande de fréquences n’interfèrent pas les uns avec les autres. Les pannes rares causées par une coïncidence aléatoire à court terme des fréquences de l'émetteur sont rapidement éliminées par le système multi-niveaux de codage des données résistant au bruit et de correction des erreurs fourni par le protocole. Il est vrai que le taux d'échange de données « pur » de 1 Mbit/s est ainsi réduit d'environ 20 %. Un schéma de connexion typique pour le microcircuit T2901 est présenté sur la Fig. 2, les nombreux condensateurs de blocage de 4,7 pF connectés à toutes les broches d'alimentation et de commande ne sont pas représentés. Le signal de fréquence de référence est fourni à la broche 1 (CLK). Il est possible de sélectionner par programme l’une des quatre valeurs possibles. Puissance de l'émetteur - 1 mW. Les informations sont transmises par modulation par déplacement de fréquence porteuse avec un écart nominal de ± 160 kHz. Le signal modulant peut être pré-filtré à l'aide d'un filtre passe-bas gaussien intégré. Ce filtre est activé et désactivé avec l'interrupteur SW1.
Le récepteur dans ce cas est un superhétérodyne régulier avec une fréquence intermédiaire de 111 MHz. Son facteur de bruit est de 12 dB. La sélectivité est assurée par le filtre SAW F1, les circuits oscillants avec bobines L2 et L3 - éléments de l'amplificateur et discriminateur de fréquence. Le transistor Q1 fait partie du régulateur de tension d'alimentation interne. Le courant consommé par le microcircuit est presque indépendant du mode réception/émission, s'élevant à environ 60 mA, et ce n'est qu'en mode veille qu'il diminue jusqu'à des dizaines de microampères. Une caractéristique intéressante de la conception du microcircuit T2901 est que le signal de l'émetteur est généré à une double fréquence (4800 5000...55,5 XNUMX MHz), qui est divisée en deux avant d'être envoyée à la sortie. Le démodulateur du récepteur fonctionne également à une fréquence moitié inférieure à la fréquence intermédiaire - XNUMX MHz. Pour augmenter la puissance de sortie et la sensibilité de l'émetteur-récepteur T2901, Atmel propose des microcircuits supplémentaires pour un amplificateur de puissance micro-ondes (T7023) et un amplificateur similaire combiné à une entrée à faible bruit (T7024). Leur particularité est la présence d'une entrée spéciale pour régler la puissance de sortie, qui vous permet d'allumer et d'éteindre l'émetteur en douceur et de définir le niveau de puissance minimum du signal émis suffisant pour maintenir la communication. Ces mesures minimisent les interférences créées par d'autres canaux de communication fonctionnant dans la même plage. La puissance de sortie des deux microcircuits est de 200 mW, le facteur de bruit du microcircuit T7024 ne dépasse pas 2,3 dB. Auteur : A. Dolgiy, Moscou
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