S2-LPTX – prosty, tani i funkcjonalny nadajnik Sub-1 GHz

Nadajnik wyróżnia się ultramałym poborem mocy: 10 mA przy +10 dBm (10 mW). Co więcej, moc wyjściową oraz odstęp międzykanałowy można programować (moc do +16 dBm), co pozwala na jej dopasowanie do aktualnych warunków w kanale radiowym. Pracę w żądanym paśmie ułatwia czas uruchamiania i ustawiania syntezatora częstotliwości, co umożliwia szybką zmianę kanału lub nawet pracę ze skokową zmianą częstotliwości (frequency hopping).

Od strony aplikacyjnej nadajnik ma 4-żyłowy interfejs SPI współpracujący z buforem FIFO 128 bajtów. Dostępne są układy zintegrowanych filtrów dopasowane do pracy z nadajnikiem.

Typowe aplikacje to czujniki IoT wysyłające informacje do chmury, rozwiązania inteligentnego opomiarowania, systemy automatyki domowej i budynkowej, bezprzewodowe systemy alarmowe, inteligentne systemy oświetleniowe. Zakres temperatur pracy wynosi od –40 do +105°C.

Parametry

Nadajnik S2-LPTX opiera się na bezpośredniej syntezie częstotliwości z pętlą PLL z użyciem zewnętrznego rezonatora kwarcowego jako wzorca odniesienia. Pętla PLL syntezera bazuje na kilku generatorach VCO zapewniających pokrycie całego zakresu generowanych częstotliwości nadajnika oraz szybkie przełączenia na inną częstotliwość. Współpracujący z pętlą PLL rezonator z zakresu 24–26 MHz lub 48–52 MHz musi mieć dobrą stabilność krótko- i długoterminową w zakresie częstotliwości. W sytuacji, gdy ma ona znaczenie krytyczne, można dołączyć zewnętrzny oscylator TXCO. Jest też zintegrowany pomocniczy oscylator RC małej mocy, generujący sygnał 34,7 kHz wykorzystywany jako zegar taktujący do okresowego wybudzania itp.

Wzmacniacz mocy (PA) można skonfigurować w zakresie od –30 dBm do +14 dBm (25 mW) mocy wyjściowej (+16 dBm/40 mW w trybie boost), w krokach co 0,5 dB. Dane, które mają być przesłane, mogą być dostarczone do nadajnika przez zewnętrzny MCU albo poprzez 128-bajtowy zapis danych TX w buforze FIFO przez interfejs SPI lub bezpośrednio przy użyciu programowalnego pinu GPIO.

Uniwersalność

S2-LPTX ma konfigurowalny modulator obsługujący domyślnie zastrzeżony i w pełni programowalny formatem pakietu danych opracowany przez ST. Niemniej, poza tym, układ umożliwia działanie w ramach standardu IEEE 802.15.4g (Smart Utility Network, SUN), obsługę Wireless M-Bus lub działanie w sieci Sigfox. Automatycznie wyliczane są sumy kontrolne CRC i FEC, a długość pakietu danych (payload) można zmieniać w zależności od żądanych parametrów, takich jak wydajność komunikacji i odporność na błędy transmisyjne.

Bufor FIFO ma dwa programowalne progi (prawie pełny/prawie pusty), których osiągnięcie może wywoływać przerwanie zgłaszające konieczność obsługi do MCU. To sposób, który dale dużą oszczędność energii. Możliwe jest stopniowe zapisywanie danych do bufora i automatyczna aktywacja nadajnika po zapełnieniu. Stany uśpienia są 2: z potrzymaniem zawartości FIFO i bez podtrzymania.

 

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy S2-LPTX

Zasilanie na lata

S2-LPTX ma bardzo wydajny system zarządzania energią (PM). Bazuje on na wbudowanym zasilaczu impulsowym umożliwiającym pracę przy napięciu baterii w zakresie od 1,8 do 3,6 V. Do pracy konwerter wymaga zewnętrznego dławika 10μH. Sprawność konwersji jest rzędu 90%, co umożliwia zasilanie z pojedynczej baterii litowej guzikowej z możliwością wykorzystania całego ładunku. Pobór prądu w stanie sleep to tylko 700 nA, a w shutdown jeszcze mniej – 2,5 nA, co oznacza, że przy rzadkim wybudzaniu do działania, zarządzaniu mocą i z oszczędnym użyciem nadajnika typowe ogniwo o pojemności 200 mAh może wystarczyć na cały okres życia produktu, tj. ponad 10 lat.

W niektórych zastosowaniach użycie zasilacza impulsowego do współpracy z nadajnikiem nie jest pożądane, bo mogą pojawiać się zakłócenia. Konstruktorzy układów radiowych z niechęcią podchodzą też do propozycji zasilania układów radiowych małej mocy za pomocą stabilizatorów impulsowych, bo spodziewają się w konsekwencji trudnych do lokalizacji i eliminacji problemów na etapie badań i certyfikacji produktu. Z tych przyczyn ST2LPTX umożliwia dwa tryby pracy. Jeden to HPM (high performance mode) o dużej wydajności, a drugi to LPM (low power mode). W pierwszym nadajnik zasila SMPS napięciem 1,6 V, w drugim jest on wyłączany, a do zasilania brany jest zwykły liniowy LDO o napięciu 1,2 V

Funkcjonalność

Wartość progową detektora wyczerpanej baterii można ustawiać między 2,1 a 2,7 V, co 0,1 V. Producent przewidział też detektor krótkotrwałych zaników zasilania (brownout), zapobiegający niekontrolowanemu działaniu/utracie zaprogramowanych wartości. Jest on niezbędny, gdy bateria zystancja wewnętrzna znacznie wzrośnie. Wówczas duża wartość SEM nie wywoła reakcji detektora wyczerpanej baterii, ale podczas nadawania mogą pojawić się nieoczekiwane, ale duże spadki zasilania.

Nadajnik ma wbudowane zabezpieczenie (z możliwością deaktywacji), które chroni przed nadawaniem, gdy bateria jest na wyczerpaniu, gdyż w takiej sytuacji nie ma gwarancji utrzymania emisji w pożądanym kanale częstotliwości.Warto też wspomnieć o innowacyjnej realizowanej funkcji wybielania danych (data whitening). Aby zapobiec krótkim powtarzającym się sekwencjom w danych (np. ciągom zer lub jedynek), które mimo kodowania w modulacji tworzą wyraźne linie widmowe mogące zakłócać inne odbiorniki, dane przepuszcza się przez bramkę XOR, na której drugą końcówkę podawany jest 9-bitowy ciąg pseudolosowy. Długie sekwencje zer lub jedynek stają się dzięki temu zabiegowi bardzo mało prawdopodobne, a algorytmy warstwy fizycznej działają lepiej.

 

Rys. 2. Schemat aplikacyjny

ST Microelectronics
www.st.com