Радиомодули 433 и 868 МГц: какие бывают и как выбрать

Модуляция: OOK, ASK и FSK

OOK (on-off keying) — самая простая амплитудная модуляция: передатчик включает усилитель мощности для единицы и выключает для нуля (CC1101, разд. 16.3). Наш вывод: поэтому простейшему OOK-передатчику достаточно генератора с ключом, а основной ток он потребляет только во время передачи единиц. ASK у CC1101 — вариант амплитудной модуляции с программируемой глубиной (разницей уровней нуля и единицы) и формой импульса; сглаженная форма сужает спектр.

FSK и её разновидности GFSK и MSK передают нули и единицы разными частотами при постоянной амплитуде. Трансиверы CC1101 и SX1276 поддерживают и FSK-семейство, и OOK — второй нужен для совместимости со старыми устройствами и простыми пультами.

Приёмники: супергетеродин и сверхрегенератор

Супергетеродин переносит принятый сигнал на промежуточную частоту и фильтрует там. В CC1101 это приёмник с низкой промежуточной частотой: сигнал усиливается малошумящим усилителем, переносится в квадратурах I и Q на промежуточную частоту, оцифровывается, а фильтрация канала, автоматическая регулировка усиления и демодуляция выполняются цифровой частью (даташит, разд. 6). Ширина полосы фильтра программируется — от 58 до 812 кГц при кварце 26 МГц (разд. 4.2), — и от неё зависит, сколько шума и соседних сигналов попадает в приёмник.

Сверхрегенеративный приёмник строится на генераторе, которым управляет сигнал гашения (quench), и детекторе огибающей; перед генератором ставят развязывающий предусилитель, чтобы колебания генератора не уходили в антенну (патент Samsung US 7,565,129, описание рис. 1). В описании патента Samsung US 7,565,129 перечислены его плюсы и минусы: он дешевле, проще, требует меньше компонентов и работает при меньшем напряжении, чем супергетеродинный, а ток смещения генератора — сотни микроампер. Недостатки — излучение генератора обратно в антенну, реакция на субгармоники, низкие чувствительность и избирательность. Первые два устраняют развязывающим предусилителем или фильтром, а чувствительность и избирательность зависят от тока смещения и сигнала гашения и требуют их точной настройки.

Наш вывод: в простых модулях встречаются обе схемы, и выбор между ними — обмен. Сверхрегенератор привлекает ценой, простотой и малым потреблением; там, где рядом работают другие передатчики или нужна большая дальность, важнее чувствительность и избирательность, и тогда смотрят на супергетеродин или трансивер. Тип приёмника, чувствительность и ток модуля берите из его документации — по внешнему виду их не определить.

Трансивер CC1101

CC1101 (Texas Instruments) — приёмопередатчик на 300–348, 387–464 и 779–928 МГц с модуляциями 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK, OOK и ASK и скоростью 0,6–600 кбит/с. Питание — 1,8–3,6 В, в режиме сна — 200 нА. Аппаратная поддержка пакетов: синхрослово, адрес, длина, CRC, два FIFO по 64 байта, оценка занятости канала перед передачей (CCA) и автоматический периодический приём (wake-on-radio). Есть и синхронный, и асинхронный последовательный режим — для совместимости со старыми протоколами.

Чувствительность на 433 МГц при PER 1 %, пакете 20 байт, 25 °C и 3,0 В на референсной плате TI (табл. 7):

Ток приёма — при входном сигнале на пределе чувствительности в режиме с регистрами, оптимизированными на пониженный ток (табл. 4); с настройками на лучшую чувствительность ток выше. Передача на 433 МГц: +10 дБм — 29,2 мА, 0 дБм — 16,0 мА. Наибольшая мощность для всех диапазонов — до +12 дБм.

TI подчёркивает, что соответствие нормам зависит от всего изделия, а не только от микросхемы, и даёт пример: чтобы уложиться в требования EN 300 220 к ширине полосы в 863–870 МГц, ниже 869 МГц рекомендуется кварц 26 МГц, выше — 27 МГц (разд. 28.1). На готовом модуле кварц уже выбран производителем модуля.

SX1276 и SX1278: LoRa и FSK

SX1276 и SX1278 (Semtech) — трансиверы с модемом LoRa и модемом FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK. Различаются диапазоном: SX1276 — 137–1020 МГц, SX1278 — 137–525 МГц, SX1279 — 137–960 МГц (табл. 1). Модули на SX1278 работают на 433 МГц, но не на 868 МГц. Ток передачи — 120 мА при +20 дБм на выводе PA_BOOST и 29 мА при +13 дБм на выходе RFO, приёма в режиме FSK — 10,8–12,0 мА (табл. 6), в режиме LoRa — 9,9–12,6 мА в зависимости от диапазона и полосы (табл. 10), сна — 0,2 мкА. Питание — 1,8–3,7 В, для +20 дБм — 2,4–3,7 В. Выигрыш LoRa — чувствительность до −148 дБм, плата — скорость.

Пример: что даёт снижение скорости CC1101

Задача: модуль CC1101 на 433 МГц передаёт пакет 20 байт. Сравним 250 и 1,2 кБод.

1. Чувствительность по табл. 7: −95 дБм и −112 дБм — разница 17 дБ.
2. В свободном пространстве потери растут на 20 дБ при десятикратном увеличении расстояния (ITU-R P.525, см. статью «Бюджет радиолинии»), поэтому 17 дБ дают дальность в 10^17/20 ≈ 7,1 раза больше (наш расчёт).
3. Время передачи 20 байт данных без преамбулы и служебных полей: 160 бит / 250 000 бит/с = 0,64 мс против 160 / 1200 = 133 мс — в 208 раз дольше (наш расчёт; при 2-FSK и GFSK бод равен биту в секунду).
4. При +10 дБм передатчик потребляет 29,2 мА (табл. 4): заряд на одну передачу — 0,019 мА·с против 3,9 мА·с (наш расчёт).

Вывод: снижение скорости даёт дальность ценой энергии и времени в эфире; выбирайте наименьшую скорость, которой хватает для данных, и проверяйте, укладывается ли время в эфире в нормы на долю передачи. Срок службы батареи при заданном графике передач считает калькулятор времени работы от батареи.

Как выбрать модуль

1. Диапазон. Модуль, антенна и разрешённая полоса должны совпадать. По AN058 в Европе «нижний» субгигагерцовый диапазон — 433,050–434,790 МГц, «верхний» — 863–870 МГц; в России условия использования полос задают решения ГКРЧ — проверьте актуальное решение.
2. Простой модуль или трансивер. Для пульта с одной кнопкой хватит пары передатчик — приёмник; для датчиков с пакетами, адресами и подтверждениями нужен трансивер.
3. Чувствительность при вашей скорости. Сравнивайте строки таблиц для одной скорости и одного PER, а не числа с первой страницы.
4. Питание и уровни. CC1101 питается от 1,8–3,6 В, SX1276 — от 1,8–3,7 В, а для +20 дБм ему нужно 2,4–3,7 В; с 5-вольтовой платой нужны стабилизатор и согласование уровней, если документация модуля не разрешает иного.
5. Антенна. Пружинка или кусок провода на модуле — компромисс; четвертьволновый штырь на 433 МГц — около 17,3 см. Подробно — в статье «Антенны».

Для диапазона 2,4 ГГц аналогичную роль играет nRF24L01+ — трансивер с аппаратным протоколом пакетов.

Частые ошибки

• Модуль на 433 МГц с антенной на 868 МГц и наоборот — рассогласование съедает дальность.
• Нет развязки питания. Передатчик потребляет десятки миллиампер импульсами; без конденсаторов у модуля просадки питания мешают приёму и передаче.
• Свой протокол без синхронизации. У простых модулей без пакетного контроллера всю работу трансивера делает программа: она должна находить преамбулу, отделять свой пакет от помех и проверять контрольную сумму.
• Пара разных модулей. Передатчик и приёмник должны совпадать по частоте, модуляции и скорости; у трансиверов — по всем настройкам модема.
• Мощность «на максимум». Мощность и доля времени в эфире ограничены нормами; больше дальности часто даёт антенна, а не мощность.