HF-Transceiver für Sub-GHz-Funkanwendungen

Bild 1: Typischer Aufbau eines IoT-Ökosystem mit Sensor- und Funklösungen von Melexis. Melexis

Bei der Entwicklung ortsgebundener Funksensornetzwerke (WSN, Wireless Sensor Networks) für das Internet der Dinge (IoT) spielt die verfügbare Bandbreite eine wichtige Rolle. Grundsätzlich ist im IoT-Bereich jedes vernetzte Gerät ein intelligenter Knoten, der Informationen erfasst und irgendeine Form der Signalverarbeitung und -konditionierung (digital oder analog) durchführt. Dazu gehört beispielsweise die Filterung gewünschter Signale aus Störungen, um die für die Datenkommunikation benötigte spektrale Bandbreite zu reduzieren.

In herkömmlichen Konfigurationen kommunizieren IoT-Sensoren mit einem Gateway (oder Datensammler), von dem Daten in das Internet zu einem zentralen Datenspeicher weitergeleitet werden, der diese Information sichert, speichert und verarbeitet. Bild 1 beschreibt ein mögliches IoT-Ökosystem, bei dem die Sensordaten über das Internet aus der Ferne abgefragt werden. Sensor- und Funklösungen von Melexis können hier in mehreren Anwendungen zum Einsatz kommen – sowohl in den IoT-Sensoren selbst als auch im Gateway, das mit dem „gängigen“ Internet kommuniziert.

Sub-GHz- und 2,4-GHz-Funk im Vergleich

Bild 2: Die Sub-GHz-Übertragung eignet sich für unterschiedlichste Anwendungen. Melexis

Branchenweit wird debattiert, ob Sub-GHz- oder 2,4-GHz-Funk als bevorzugte drahtlose Übertragungstechnik für Datenkommunikations- und Sensoranwendungen verwendet werden soll. Innerhalb der IoT-Infrastruktur steht 2,4 GHz meist für Bluetooth-basierte Übertragung (oft Bluetooth Low Energy, BLE) oder WLAN. Die Bezeichnung „Sub-GHz“ bezieht sich häufig auf eines der ISM-Bänder, beispielsweise bei 433,92 oder 868,3 MHz.

Ein 2,4-GHz-basiertes System bietet einen relativ hohen Datendurchsatz, oft in der Größenordnung von mehreren Megabit pro Sekunde (Mbit/s) für WLAN. Bei BLE ist der Durchsatz mit rund 260 kbit/s deutlich geringer. Ein Nachteil einer 2,4-GHz-Funkverbindung ist die relativ kurze Reichweite (<10 m) aufgrund der hohen Übertragungsverluste, die im Vergleich zu Sub-GHz-Systemen auftreten.

Sub-GHz ist die beste Wahl, wenn für die Anwendung oder Installation eine große Reichweite (bis zu einem Kilometer im Freien) wichtig ist. Sub-GHz ist sehr robust und immun gegenüber Störsignalen, da schmalbandige Funkkanäle (zum Beispiel 25 kHz) verwendet werden. Da Sub-GHz-Systeme meist mit proprietären Protokollen betrieben werden, ist es relativ einfach, sie auf Energieeffizienz und lange Batterielebensdauer zu trimmen, was sowohl für batteriebetriebene als auch Energy-Harvesting-basierte IoT-Funksensoren von Bedeutung ist. Bild 2 beschreibt verschiedene IoT-Anwendungen, die von der Sub-GHz-Technologie profitieren.

Adaption von Trägerfrequenzschwankungen

Gerade bei IoT-Anwendungen kommt es auf die Fähigkeit der empfangenden Knoten an, sich auf Abweichungen der Trägerfrequenz der Sendeknoten zu adaptieren. Moderne Empfänger und Sender verwenden Quarze, um eine lokale Referenzfrequenz in jedem System zu erzeugen. Erschwingliche Quarze weisen meist Frequenzstabilitäten im Bereich von ±10 bis ±50 ppm auf.

Klassische HF-Analog-Transceiver und Empfänger werden mit Phasenkoinzidenz-Demodulatoren aufgebaut. Sie enthalten entweder einen externen Diskriminator oder einen integrierten FSK-Demodulator. Aufgrund der analogen Demodulation bieten diese Produkte einen Trägerfrequenz-Akzeptanzbereich von bis zu ±100 kHz.

Beträgt die Trägerfrequenz eines IoT-Sendeknotens 868,3 MHz auf der Grundlage eines kostengünstigen Quarzes, der eine Toleranz von ±50 ppm aufweist, kann die Mittenfrequenz des Knotens eine Toleranz von bis zu ±43 kHz aufweisen. Dieser Wert kann den FSK-Hub, der ein wesentlicher Modulationsparameter ist, bereits überschreiten. Typische FSK-Hübe für IoT-Sensorknoten liegen zwischen ±10 und ±50 kHz. Wie erwähnt, können Funksysteme mit analogen Demodulatoren relativ hohe Trägerfrequenzabweichungen verarbeiten, selbst wenn diese größer als der FSK-Hub sind.

Hochintegrierte Funk-ICs führen die Demodulation und viele andere notwendige Signalkonditionierungen im Digitalbereich durch. Moderne Halbleiterprozesse mit kleinen Geometrien machen dies möglich, was wiederum kompakte Chips hervorbringt. Jedoch weisen die meisten modernen HF-Transceiver aufgrund ihrer digitalen Natur relativ kleine Trägerfrequenz-Akzeptanzbereiche auf – verglichen zu ihren analogen Vorgängermodellen. Daher kann der Empfang eines Signals von einem IoT-Sensorknoten eine Herausforderung für einen digitalen HF-Empfänger sein – gerade wenn der Sensorknoten aufgrund eines Quarzes mit hoher Toleranz eine schlechte Frequenzgenauigkeit aufweist.

Hochintegrierte HF-Transceiver

Bild 3: Blockdiagramm des HF-Transceivers MLX73290-M von Melexis. Melexis

Der HF-Transceiver MLX73290-M von Melexis bietet eine Lösung, die sich gut für weite Trägerfrequenztoleranzen eignet. Bild 3 zeigt das Blockschaltbild des Bausteins. Ein wesentlicher Teil des ICs ist digital realisiert, hier dargestellt im grau schattierten Teil.

Beim MLX73290-M handelt es sich um einen Mehrkanal-HF-Transceiver, der auf der langjährigen Erfahrung von Melexis bei der Umsetzung energieeffizienter Funksysteme basiert. Der Chip deckt den Frequenzbereich von 300 bis 960 MHz ab. Er unterstützt dabei die Adaption an zwei Funkkanäle mit jeweils einem programmierbaren HF-Sender (inklusive Leistungsdetektor) und einem hochempfindlichen HF-Empfänger. Der Baustein ist über eine SPI-Schnittstelle voll programmierbar.

Der Schaltkreis eignet sich für Sub-GHz-Funkanwendungen wie Haus-/Gebäudeautomation, Reifendruckkontrolle (TPMS), automatische Zählerablesung (AMR), Alarmsysteme, Passive Keyless Entry (PKE), medizinische Diagnostik und Telemetrie. Sein Ausgangspegel reicht von -20 bis 13 dBm, programmierbar in 64 Schritten. Die Empfängerempfindlichkeit beträgt -120 dBm bei 15 kHz Bandbreite. Mit einer maximalen Datenrate von 250 kBit/s ist der Transceiver auch in der Lage, einen erhöhten Datendurchsatz zu bewältigen. Aufgrund der Programmierbarkeit steht Entwicklern bei der Projektierung und Umsetzung eines HF-Frontends viel Spielraum zur Verfügung. So lassen sich verschiedenste HF-Parameter (etwa Anzahl der Kanäle, Frequenzauflösung, Ausgangsleistung, oder Frequenzhub) einstellen, um spezifische Anwendungskriterien zu erfüllen. Unterstützt werden die Modulationsarten OOK (On-Off Keying), FSK (Frequency Shift Keying), MSK (Minimum Shift Keying) sowie die Gauss-gefilterten Versionen GMSK und GFSK.

Batterieloser Betrieb ist möglich

Bild 4: Die Grafik beschreibt die Paketfehlerrate (PER; Packet Error Rate) als Funktion vom CFAR (Carrier Frequency Acceptance Range) bei verschiedenen Präambellängen. Melexis

Zwei Leistungsdetektoren erlauben die Messung der abgestrahlten HF-Leistung während des Sendens. Eine Energie-Harvesting-Schnittstelle ermöglicht einen batterielosen Betrieb, etwa mittels einer Solarzelle in Kombination mit einem Superkondensator. Dies ist besonders wichtig bei einem Einsatz des Transceivers als lokalem Funkknoten, wenn sich eine Verlegung von Stromleitungen als unpraktisch erweist.

Der MLX73290-M wird im 32-poligen QFN-Gehäuse ausgeliefert (5 mm x 5 mm). Der Betriebstemperaturbereich erstreckt sich von -40 bis 105 °C; der Versorgungsspannungsbereich von 2,1 bis 3,6 V. Der Baustein verfügt über einen PLL-Synthesizer mit einer Auflösung von 60 Hz, einen FIFO mit 256 Byte, der in jeweils 128 Byte für den RX/TX-Betrieb aufgeteilt werden kann, sowie insgesamt vier programmierbare GPIO-Ports für die Anbindung an andere Systemkomponenten.

Mit seinem weiten Trägerfrequenz-Akzeptanzbereich ist der MLX73290-M Transceiver in der Lage, eine Trägerfrequenzabweichung bis zur zweifachen Rohdatenrate (DR) zu tolerieren, also bis zu ±2 × DR. Der Trägerfrequenz-Akzeptanzbereich (CFAR; Carrier Frequency Acceptance Range) ist dabei unabhängig von der AFC-Einstellung. Die automatische Frequenzkorrektur (AFC) ermöglicht jedoch der Trägerrückgewinnung (Carrier Recovery) nach jedem Paket zu einem gegebenen Wert zu konvergieren. Somit lässt sich die Präambellänge verringern, wenn die Applikation den Verlust einiger Pakete zu Beginn der Übertragung tolerieren kann.

Bild 4 beschreibt die Paketfehlerrate (PER; Packet Error Rate) als Funktion vom CFAR. Das Beispiel ist für eine Datenrate von 55,6 kbit/s mit einer FSK-Abweichung von ±50 kHz ausgelegt. Offensichtlich lässt sich ein Kompromiss zwischen Präambellänge (als Teil des Sendepakets, während dessen die Trägerrückgewinnung erfolgt) und der Paketfehlerrate erzielen.

(ku)