ENGLISH
|
ESPAÑOL
::: Como agregar conectividad wireless en forma simple a su diseño con Silicon Labs :::
 

La conectividad wireless continúa expandiéndose en todas las industrias a medida que una mayor variedad de dispositivos electrónicos agregan controles e interfaces inalámbricos. Los usuarios están acostumbrados a lo conveniente de usar interfaces de RF y la capacidad wireless se está convirtiendo en un requisito básico de muchos productos electrónicos. Sin embargo implementar conectividad wireless no resulta sencillo. Las consideraciones de RF como el diseño de antena y los seteos de modulación pueden variar mucho de un producto a otro. Además las regulaciones y expectativas de los clientes nos fuerzan a lograr buenas prestaciones. La mayoría de las soluciones baratas disponibles usan componentes básicos con prestaciones pobres y son difíciles de implementar, mientras que las soluciones simples de implementar a menudo no son flexibles como se requiere y suelen ser costosas. Afortunadamente hay soluciones que ofrecen muy buenas prestaciones, facilidad de uso y bajo costo si uno sabe lo que busca.

Regulaciones internacionales

Uso del espectro: en cada región las regulaciones establecen los requisitos básicos para los sistemas wireless. Estas normas regulan las frecuencias de operación, la magnitud de las emisiones irradiadas, y en muchos casos las temporizaciones de las transmisiones.
Cada regulación puede variar de una región a otra debido al uso del espectro. Por ejemplo la FCC de EU otorga porciones del espectro para uso de sistemas sin licencia subGHz en las bandas siguientes 260-470MHz, 433.5-434.5MHz, 902-928MHz, en Europa la ETSI otorga las bandas 138.2-138.45MHz, 433.05-434.45MHz, y 863-870MHz, en otras partes hay diferentes entes reguladores como la CNC en Argentina y Anatel en Brasil.

Bandas no licenciadas: Se pueden definir como bandas de frecuencias en las que se permite la operación de dispositivos de radiocomunicaciones sin una planificación centralizada por parte de la Autoridad de Comunicaciones, es decir, sin una autorización individual de cada estación tal que asegure la asignación de una frecuencia o canal para uso exclusivo de la misma. La banda se destina íntegramente a tales dispositivos, sin subdivisión de canales, estableciéndose ciertos requerimientos básicos de convivencia, tales como límites de potencia o de densidad de potencia radiadas, anchura de banda mínima, etc. La coordinación corre por cuenta de los usuarios, pero se apoya principalmente en la inmunidad contra interferencias, propia de la tecnología empleada, y el modo de acceso múltiple a la banda. De acuerdo con el reglamento de la UIT se designan como bandas no licenciadas para uso en aplicaciones industriales, científicas y médicas a nivel mundial, las siguientes

  • 13.553-13.567 kHz (frecuencia central 13.560 kHz),
  • 26.957-27.283 kHz (frecuencia central 27.120 kHz),
  • 40,66-40,70 MHz (frecuencia central 40,68 MHz),
  • 902-928 MHz en la Región 2 (frecuencia central 915 MHz),
  • 2.400-2.500 MHz (frecuencia central 2.450 MHz),
  • 5.725-5.875 MHz (frecuencia central 5.800 MHz) y
  • 24-24,25 GHz (frecuencia central 24,125 GHz),

En la imagen debajo se muestran las bandas utilizadas en diferentes partes del mundo para aplicaciones de telemetría y control.

Limitaciones en la potencia transmitida: Los requisitos principales para estos sistemas inalámbricos son respecto a la frecuencia y a la potencia transmitida tanto en la fundamental como en armónicas (fuera de banda). Los requisitos de potencia para la señal principal son a menudos especificados como el nivel promedio máximo y el nivel pico máximo. Se suele permitir la transmisión de potencias mayores pero con ciclos de trabajo determinados. Algunas regulaciones exigen periodicidad en las transmisiones o esquemas de saltos de frecuencia (hopping).

Limitaciones fuera de banda: Las limitaciones fuera de banda son mucho más restrictivas, cada regulación especifica las potencias transmitidas máximas fuera de banda y dependen en cada una de ellas de las aplicaciones que se quieren proteger.

Debajo mostramos un cuadro con limitaciones fuera de banda de FCC para 915MHz.

Expectativas de los usuarios

Las demandas de los usuarios sobre los sistemas wireless pueden ser más estrictas que las regulaciones. Que un dispositivo portátil tenga una conectividad confiable es asumido por los usuarios como una prestación garantizada y continuará funcionando bajo cualquier condición ambiental, sin tener en cuenta interferencias de RF o barreras físicas. Los usuarios esperan también que cada nueva generación de dispositivos portátiles tenga mayor alcance y mayor duración de batería. El resultado de estos requisitos es una creciente demanda de selectividad, alcance y eficiencia.

Selectividad del receptor: describe la capacidad del receptor para distinguir la transmisión deseada de otras señales y ruido. Para lograr buenas prestaciones es necesario el agregado de filtros o contar con dispositivos de buena selectividad y prestaciones de bloqueo. El uso de filtros es la opción menos deseable ya que agrega costo y pérdidas que arruinan la sensibilidad del receptor.

Alcance: poder pasar a través de paredes y otras barreras es muy importante aún cuando no sea tan importante tener buenas prestaciones en línea vista. Lograr un buen alcance depende de la ganancia de antena, la sensibilidad del receptor y de la potencia transmitida. La ganancia de antena está limitada habitualmente por costos y factor de forma. La mayoría de los productos usan antenas en PCB por costos, pero estas antenas tienen un desempeño pobre comparadas con otras antenas. La sensibilidad del receptor es otro parámetro que afecta el alcance y es la mejor variable para optimizar si es posible. La sensibilidad define el límite inferior de nivel de señal que puede ser recibido y entendido. De modo que un receptor con buena sensibilidad y selectividad hace más sencillo lograr el alcance deseado. Esta mirada nos otorga flexibilidad y margen en el diseño de la antena y la configuración del transmisor.

Resumiendo, el alcance es determinado del lado del transmisor por la potencia de salida, sin embargo hay restricciones en el nivel máximo permitido. Al aumentar la potencia de transmisión aumenta el consumo y baja la duración de la batería. También la potencia de salida está limitada por las regulaciones como vimos antes.

Consumo: los usuarios tiene mucha atención puesta en la duración de la batería. Para maximizar la eficiencia, tanto el consumo activo como en stand by son importantes, ya que todas la aplicaciones utilizan alguna clase de ciclo de trabajo alternando entre ambos modos. Es normal que la mayor parte del tiempo los dispositivos estén dormidos, de modo que la corriente en bajo consumo es más importante que la corriente activa.

Condiciones de diseño de hardware

Lo simple que puedan lograrse los requisitos en las aplicaciones inalámbricas depende de la topología de la solución. En general, para un producto dado, a mayor integración más simple la implementación.

El nivel de integración va desde una solución totalmente discreta que requiere polarización de transistores y adaptación de impedancias hasta una solución completamente integrada.

Muchas aplicaciones eligen una solución parcialmente discreta como la que se muestra debajo.

Esta solución tiene la ventaja de usar un transmisor conocido pero requiere una cantidad de componentes externos.

Una solución completamente integrada casi no requiere componentes externos. La mayor parte del filtrado y sintonización se hace internamente en el chip o en la antena. Este tipo de solución se puede ver debajo con el Si4010 de Silabs.

Selección de antena: las antenas más comunes son pequeñas antenas en PCB, pero antenas monopolo de alta ganancia y antenas de alambre helicoidales son usadas en sistemas de altas prestaciones. Idealmente se usan antenas de un cuarto de longitud de onda en la frecuencia central de trabajo, pero habitualmente las restricciones de tamaño complican la adaptación y disminuyen la ganancia de antena.

La adaptación y filtrado adicional requerido dependen de la antena usada y las prestaciones del circuito integrado. Muy poco filtrado adicional puede ser necesario si se usan transmisores con buenas prestaciones de emisiones armónicas o receptores con buena selectividad y bloqueo. Sin embargo, si el dispositivo tiene mala performance fuera de banda, deben tenerse cuidados especiales para filtrar frecuencias no deseadas.

La calidad de la adaptación afectará las pérdidas del sistema. Elegir un receptor con buena sensibilidad puede reducir los requisitos de la adaptación y simplificar el diseño.

Consideraciones de configuración de los integrados a usar

Los dispositivos wireless deben ser configurados correctamente para enviar y recibir información. Frecuencia de trabajo, tipo de modulación, velocidad de datos, desvío de frecuencia y ancho de banda del receptor, son algunos de los principales parámetros que es necesario configurar para lograr la operación requerida.

La elección de la velocidad de datos es habitualmente una decisión de compromiso entre datos lentos para optimizar la sensibilidad o datos rápidos para optimizar la duración de batería. La velocidad de datos también se elige en base a la cantidad de datos a transmitir. Para grandes cantidades de datos, como transmisiones de audio o video, se eligen grandes velocidades de transmisión.

La performance del integrado wireless y la exactitud del oscilador afectan el desvío de frecuencia y el ancho de banda del receptor. El ancho de banda del receptor determina cuanto ruido total entra al sistema y por lo tanto tiene una influencia grande en la sensibilidad del sistema y en el alcance total. Sin embargo, debe ser suficientemente grande como para considerar la tolerancia de los osciladores del transmisor y del receptor y para considerar la desviación de frecuencia cuando se usa modulación FSK.

Las prestaciones del integrado wireless, como la calibración automática de la frecuencia, pueden ayudar a mantener el ancho de banda del receptor angosto aún usando osciladores no tan estables. La optimización de todos estos parámetros es muy importante para asegurar buenas prestaciones.

Para algunos dispositivos wireless, la configuración se hace mediante registro dentro del chip. Sin embargo, la correcta configuración de los registros puede ser difícil ya que un parámetro puede afectar varios registros. Algunos productos incluyen un código API que traduce el seteo individual de los registros en una interfaz de comandos más fácil de entender. Estos comandos se envía al integrado mediante una interfaz (típicamente SPI o I2C) entre el integrado y el MCU que lo controla.

Ejemplo de solución wireless

Los sistemas inalámbricos tienen muchos requisitos de prestaciones y complejidades de implementación. El primer objetivo de diseño debe ser encontrar una solución que sea fácil de implementar y que provee a una forma barata de cumplir con las regulaciones, las expectativas de los usuarios. Por ejemplo, el transceiver Si4455 EZRadio® de Silicon Labs tienen muy buena potencia de salida y supera a la mayoría de los productos competidores en parámetros importantes como consumo, sensibilidad, selectividad, y bloqueo. También incluye prestaciones adicionales que son exclusivas de este chip como control automático de frecuencia y packet handler interno.

Además Silicon Labs provee de una placa de evaluación, que se muestra debajo, que puede usarse para evaluar el integrado y como base de diseño de hardware. Esta placa tiene dos partes; RF y MCU. Esta configuración permite hacer test con la placa misma o tomar la parte de RF y testearla en la aplicación final. Silicon Labs provee también esquemáticos y layout que pueden descargarse en www.silabs.com/EZRadio de modo que la placa puede considerarse como un diseño de referencia completo.

Simplificando la configuración

El proceso de desarrollo con EZRadio se ve simplificado por una herramienta de configuración que se muestra debajo y ayuda al desarrollador a encontrar la configuración óptima para cada aplicación.

Un asistente de configuración ayuda a asegurar que la configuración cumplirá con las regulaciones y provee una lista de configuraciones previamente testeadas y optimizadas por Silicon Labs. También tiene una opción en la que el usuario puede ingresar la frecuencia de trabajo y la tolerancia del oscilador y el software determina el ancho de banda del receptor que permitirá las mejores prestaciones. Una vez hecha la configuración, el software provee el código necesario para configurar el chip y puede inclusive proveer código de demo que sirve como punto de partida de la aplicación.

Este tipo de productos puede proveer una solución muy conveniente para muchos diseños y simplifica mucho la implementación de una interfaz wireless en una aplicación cualquiera. Las prestaciones, simplicidad, soporte y herramientas permiten una implementación sencilla y con margen. El costo del sistema total se reduce mucho por la performance del chip así como también por su nivel de integración.

Conclusión

La implementación de un diseño wireless puede ser desafiante debido a los requisitos de los usuarios, las regulaciones y las decisiones complejas de hardware y configuración. Afortunadamente, los productos altamente integrados como los EZRadio de Silicon Labs puede proveer soluciones baratas y sencillas de implementar con altas prestaciones para satisfacer las expectativas de los usuarios y las regulaciones. Hacen sencillo agregar conectividad wireless a cualquier aplicación embebida.

Fuentes
“How-to-Simplify-the-Addition-of-Wireless-Connectivity-to-Your-Embedded-Design” – Silabs white paper.
www.cnc.gov.ar

 

Solicite mayor información a:

Electrocomponentes S.A.
Casa Central:
Solís 225 / 229 – Ciudad Autónoma de Buenos Aires – CP 1078AAE – Argentina.
Tel.: (5411) 4375-3366 / 4372-1864.
Fax: (5411) 4325-8076 / 4372-6214.
E-mail: ingenieria@electrocomponentes.com
www.electrocomponentes.com

 

 
Solís 225 / 227 / 229 (1079) - Buenos Aires, Argentina. - Tel: (54 11) 4375-3366 Fax: (54 11) 4325-8076
© Electrocomponentes S.A. - Todos los derechos reservados