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 предпочтительным средством является РЧ, поскольку для нее не требуется прямая видимость. Радиочастотные коммуникации включают передатчик и приемник . Они бывают разных типов и диапазонов. Некоторые могут передавать до 500 футов. Радиочастотные модули обычно изготавливаются с использованием технологии РЧ КМОП .
Радиочастотные модули широко используются в электронном проектировании из-за сложности проектирования радиосхем. Хорошая электронная радиосхема, как известно, сложна из-за чувствительности радиосхем и точности компонентов и схем, необходимых для работы на определенной частоте. Кроме того, надежная радиочастотная коммуникационная схема требует тщательного контроля производственного процесса, чтобы гарантировать, что радиочастотные характеристики не будут затронуты неблагоприятным образом. Наконец, радиосхемы обычно подпадают под ограничения по излучаемым излучениям и требуют тестирования на соответствие и сертификации организацией по стандартизации, такой как ETSI или Федеральная комиссия по связи США (FCC). По этим причинам инженеры-конструкторы часто проектируют схему для приложения, требующего радиосвязи, а затем «вставляют» готовый радиомодуль, а не пытаются разработать дискретную конструкцию, экономя время и деньги на разработку.
Радиочастотные модули чаще всего используются в продуктах среднего и малого объема для потребительских приложений, таких как открыватели 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 преимущество в том, что не требуют работы в прямой видимости.
Несколько несущих частот обычно используются в коммерчески доступных модулях RF, включая частоты в промышленных, научных и медицинских (ISM) радиодиапазонах, таких как 433,92 МГц, 915 МГц и 2400 МГц. Эти частоты используются из-за национальных и международных правил, регулирующих использование радио для связи. Устройства ближнего действия также могут использовать частоты, доступные для нелицензируемых, такие как 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 .
Термин «модуль RF» может применяться ко многим различным типам, формам и размерам небольших электронных подсборочных плат . Он также может применяться к модулям с огромным разнообразием функциональности и возможностей. Модули RF обычно включают в себя печатную плату , передающую или приемную схему, антенну и последовательный интерфейс для связи с главным процессором.
Здесь рассматриваются большинство стандартных, хорошо известных типов:
Модуль радиопередатчика представляет собой небольшой узел печатной платы, способный передавать радиоволны и модулировать эти волны для переноса данных. Модули передатчиков обычно реализуются вместе с микроконтроллером , который будет предоставлять данные модулю, которые могут быть переданы. Радиопередатчики обычно подчиняются нормативным требованиям , которые диктуют максимально допустимую выходную мощность передатчика , гармоники и требования к границе полосы.
Модуль приемника ВЧ принимает модулированный ВЧ-сигнал и демодулирует его. Существует два типа модулей приемника ВЧ: супергетеродинные приемники и суперрегенеративные приемники . Суперрегенеративные модули обычно представляют собой недорогие и маломощные конструкции, использующие ряд усилителей для извлечения модулированных данных из несущей волны. Суперрегенеративные модули, как правило, неточны, поскольку их частота работы значительно меняется в зависимости от температуры и напряжения питания. [ необходима цитата ] Супергетеродинные приемники имеют преимущество в производительности по сравнению со сверхрегенеративными; они обеспечивают повышенную точность и стабильность в большом диапазоне напряжений и температур. Эта стабильность достигается за счет фиксированной конструкции кристалла, которая в прошлом, как правило, означала сравнительно более дорогой продукт. Однако достижения в разработке микросхем приемников теперь означают, что в настоящее время существует небольшая разница в цене между супергетеродинными и сверхрегенеративными модулями приемников.
Модуль радиочастотного приемопередатчика включает в себя как передатчик, так и приемник. Схема обычно предназначена для полудуплексной работы, хотя доступны и полнодуплексные модули, обычно по более высокой цене из-за дополнительной сложности.
Модуль SoC — это то же самое, что и модуль приемопередатчика, но он часто изготавливается с помощью встроенного микроконтроллера. Микроконтроллер обычно используется для обработки пакетирования 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 хочет включать эту обработку в хост-микроконтроллер.
Модули RF обычно взаимодействуют со встроенной системой, такой как микроконтроллер или микропроцессор. Протоколы связи включают UART , используемый в модулях X-Bee компании Digi International , Serial Peripheral Interface Bus, используемый в модулях AIR компании Anaren , и Universal Serial Bus, используемый в модулях Roving Networks. Хотя модуль может использовать стандартизированный протокол для беспроводной связи, команды, отправляемые через интерфейс микроконтроллера, обычно не стандартизированы, поскольку у каждого поставщика есть свой собственный фирменный формат связи. Скорость интерфейса микроконтроллера зависит от скорости используемого базового протокола RF: протоколы RF с более высокой скоростью, такие как Wi-Fi, требуют высокоскоростного последовательного интерфейса, такого как USB, тогда как протоколы с более низкой скоростью передачи данных, такие как Bluetooth Low Energy, могут использовать интерфейс UART.
Существует несколько типов методов цифровой модуляции сигнала , обычно используемых в модулях радиопередатчиков и приемников:
Подробное описание, преимущества и недостатки перечислены в статьях по ссылкам выше.
Как и в случае с любым другим радиочастотным устройством, 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 потреблению электроэнергии на передающем устройстве, что приведет к сокращению срока службы устройств с питанием от батареи. Кроме того, использование более высокой мощности передачи сделает систему более подверженной помехам от других радиочастотных устройств и может фактически привести к тому, что устройство станет незаконным в зависимости от юрисдикции. Соответственно, увеличение чувствительности приемника также увеличит эффективный диапазон связи, но также может потенциально вызвать сбои из-за помех от других радиочастотных устройств.
Эффективность работы всей системы можно повысить, используя согласованные антенны на каждом конце линии связи, например, описанные ранее.
Наконец, маркированное удаленное расстояние любой конкретной системы обычно измеряется в условиях прямой видимости на открытом воздухе без каких-либо помех, но часто могут присутствовать препятствия, такие как стены, полы или плотная застройка, поглощающие сигналы радиоволн, поэтому эффективное рабочее расстояние в большинстве практических случаев будет меньше указанного.
Для крепления радиочастотного модуля к печатной плате используются различные методы: либо с помощью технологии сквозного отверстия , либо с помощью технологии поверхностного монтажа . Технология сквозного отверстия позволяет вставлять или извлекать модуль без пайки. Технология поверхностного монтажа позволяет прикреплять модуль к печатной плате без дополнительного этапа сборки. Соединения для поверхностного монтажа, используемые в радиочастотных модулях, включают в себя решетчатую площадку (LGA) и зубчатые площадки. Корпус LGA допускает небольшие размеры модулей, поскольку все площадки находятся под модулем, но соединения необходимо просвечивать рентгеном для проверки соединения. Зубчатые отверстия позволяют проводить оптический контроль соединения, но физически увеличат площадь модуля для размещения площадок.
Радиочастотные модули, особенно модули SoC, часто используются для связи в соответствии с предопределенным стандартом беспроводной связи, включая:
Однако радиочастотные модули также часто взаимодействуют с использованием фирменных протоколов, например, тех, которые используются в устройствах открывания гаражных ворот.
Окончательное соответствие нормативным требованиям продукта на основе интегрированного соответствующего RF-модуля (как большинство устройств IoT в наши дни) является распространенным заблуждением. Модуль, соответствующий основным требованиям нормативных актов стран ( FCC , CE, ICES , ANATEL и т. д.), почти никогда не охватывает конечный продукт. Однако это не означает, что при интеграции соответствующего RF-модуля требуется полное тестирование на соответствие. Интеграция соответствующего модуля имеет много преимуществ.
Радиочастотный модуль необходим в сегодняшнем потребительском продукте, но также является лишь частью конечного продукта. Радиомодули развивались в течение многих лет. Бортовые регуляторы напряжения, встроенные антенны, как правило, пытаются гарантировать, что радиоявления остаются неизменными независимо от их хозяина. Вы можете ссылаться на большинство измерений радиочастотного спектра на модульном уровне для соответствия при тестировании и сертификации вашего продукта в аккредитованной по ISO 17025 лаборатории ЭМС, РЧ.
В конце концов, это конечный продукт, который должен соответствовать правилам. Такие аспекты, как здоровье, безопасность, восприимчивость к излучению не могут быть охвачены на модульном уровне.