Vezetéknélküli kapcsolatok – az RF és a Bluetooth összehasonlítása

Számos tényezőt érdemes figyelembe vennünk, amikor alkalmazásunkban a legmegfelelőbb típusú vezeték nélküli kapcsolatot szeretnénk kiépíteni. Sok érv szól mind a teljesen szabadalmazott rádiófrekvenciás megoldás tervezése, mind a szabványos bluetooth-os rádiófrekvenciás egység használata mellett.

Az alkalmazások vezeték nélküli összekapcsolásában a tervezők számos lehetőség közül választhatnak, a számítógépes beviteli eszközöktől (HID) a dolgok internetéhez (IoT) használt távérzékelőkig. Az alapvetőbb döntések egyike – amelynek meghozatala sok tervező számára nem egyszerű –, hogy szabványosított rádiófrekvenciás (RF) megoldásokat válasszanak-e inkább, mint Wi-Fi, Bluetooth vagy Zigbee, vagy valamilyen saját tulajdonú (szabadalmazott) rádiófrekvenciás fizikai rétegre (PHY) épülő kialakítást és protokollt. Mindkét megoldásnak sok előnye van, de az illesztőfelületre, együttes használatra, késletetésre és tanúsítványokra vonatkozó követelmények teljesítése sok problémával is járhat a költségek, a biztonság, a fogyasztás, az együttműködési képesség, a tervezési idő és a tartósság szempontjából. Ezen problémák jelentős része összefügg, ezért a tervezőknek a tervezési követelményeket kell először meghatározniuk, majd ennek megfelelően kell optimalizálni a tervet. Ez a cikk először azt tárgyalja, hogy milyen tényezőket érdemes figyelembe venni, ha a szabványos Bluetooth-illesztőfelület és valamilyen szabadalmazott rádiófrekvenciás (RF) protokoll között kell választani. Ezután bemutat egy Bluetooth 5-ös változatot, majd egy olyan félvezetős megoldást, amelyre implementálható egy szabadalmazott protokoll, és útmutatót ad ezek gyors elkészítéséhez és beüzemeléséhez.

1. ábra  A Rigado BMD-330 Bluetooth 5 modulja tartalmaz antennát és illesztőáramköröket is, hogy egyszerűsítse és gyorsabbá tegye az implementálást (A kép forrása: Rigado)

Szabadalmazott rádiófrekvenciás megoldások – érvek és ellenérvek 

A szabadalmazott fizikai réteg és protokoll alkotta megoldás akkor hatékony, ha a terv optimalizálást igényel a biztonság, a kis fogyasztás, a kis ökológiai lábnyom és a teljesítmény terén.A biztonság számos alkalmazás esetén alapvető fontosságú, a garázsajtók működtetőitől a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó eszközökig. Szabadalmazott rádiófrekvenciás megoldásoknál sokféle, a biztonsági követelményeknek eleget tevő megközelítés lehetséges. Először is a szabadalmazott kialakítások a „védelem az átláthatatlanság révén” megoldást használják, amennyiben a kevéssé ismert rádiófrekvenciás illesztőfelületeket nehezebb feltörni. Ezenkívül a szabadalmazott illesztőfelületeket igyekeznek két pont között megvalósítani, vagy olyan zárt rendszerben működtetni, amely nem csatlakozik szélesebb hálózatokhoz, és ezáltal rejtve marad. Végezetül, a szabadalmazott illesztőfelületek tervezői szabadon fejleszthetnek saját fejlett titkosító algoritmusokat, vagy továbbfejleszthetik a már meglévőket anélkül, hogy azok képesek lennének más gyártók által fejlesztett biztonsági algoritmusokkal való együttműködésre. Eltérőnek lenni már önmagában is biztonsági előnyt jelent. A szabadalmazott rádiófrekvenciás megoldások akkor lehetnek előnyösek, amikor stabil kapcsolatot kell biztosítani a Wi-Fi-hálózatok, mikrohullámú sütők, vezeték nélküli telefonok és más kis fogyasztású, vezeték nélküli hálózatok zavaró környezetében. Ha nem kötik őket a szabványok, a tervezők rugalmasan kihasználhatják a spektrumhasználati technikákat, amilyenek például a közvetlen sorozatú szórt spektrum (DSSS) és a frekvenciaugrásos szórt spektrum (FHSS) technikák. Ezenkívül alkalmazhatják saját kedvenc kódolási sémájukat a kapcsolat várható vesztesége alapján, hogy nagyobb adatátvitelt vagy kisebb fogyasztást érjenek el. Ez a rugalmasság vonatkozik az adatcsomag struktúrájára is. A csomagok felépítése az alkalmazás igényeinek megfelelően áramvonalasabbá tehető a szabványokra épülő, vezeték nélküli eszközökkel való együttműködéshez szükséges csomagrátét nélkül. Ami a hardvertervezés szempontjait illeti, a jól megértett teljesítménykövetelmények és azon feltétel biztosítása, hogy ezek a követelmények ne módosuljanak egy későbbi időpontban, lehetővé teszik a szabadalmazott rádiófrekvenciás illesztőfelületek tervezői számára, hogy optimalizálják a méretet, a fogyasztást és a teljesítményt. Ezt úgy tudják megtenni, hogy csak azokat a funkciókat tervezik a készülékbe, amelyeket az alkalmazás megkövetel. Miközben a szabadalmazott rádiófrekvenciás megoldásoknak rengeteg előnyük van, számos tényezőt tekintetbe kell venni a tervezésük során. Az első a költség, az egyedi rádiófrekvenciás integrált áramkör és a hozzá kapcsolódó szoftverek egyszeri tervezési költségeinek nullszaldójához – különösen olcsó készülékek esetén – a várható termékmennyiségnek 100 000 példány fölött kell lennie. Szorosan kapcsolódik a költségekhez a tervezési idő, különösen ha figyelembe vesszük a rádiófrekvenciás megoldás tervezésének kiszámíthatatlanságát, a tervezési gyakorlattal rendelkező szakemberhiányt, valamint a terv sikeréhez elengedhetetlen firmware és szoftver kifejlesztéséhez szükséges időt. 

2. ábra   A Rigado BMD-330 modulja a Nordic Semiconductor nRF52810 lapkára épített rendszerére (SoC) épül, amely egy ARM^® Cortex™ M4 CPU-t és egy 2,4 GHz-es rádiót tartalmaz (A kép forrása: Rigado)

A Bluetooth-rendszert széles körben alkalmazzák, és mindig az adott feladathoz illeszthető

A másik véglet a Bluetooth. Eredetileg a számítógépes beviteli eszközöknél használt, két pont közötti összekapcsolás és a felhasználó számára kábelgubancot jelentő egyéb eszközök észszerű kiváltására tervezték ezt a technikát, de hamar a vezeték nélküli hangátviteli eszközök összekapcsolására használt megoldássá is vált. A Bluetooth Special Interest Group (SIG) szoros felügyeletének köszönhetően a Bluetooth egy jól ismert rendszer, és a tervezők biztosak lehetnek abban, hogy készülékeik képesek lesznek egymáshoz kapcsolódni és együttműködni más Bluetooth-kompatibilis eszközökkel, tekintet nélkül arra, hogy ki a hardver gyártója. A technika széles körű használata és a készülékek együttműködési képessége bőséges hardver- és szoftverválasztékot eredményezett, ami azzal is jár, hogy a vezeték nélküli illesztőfelületet igénylő készülék alacsony költségű és gyorsan piacra dobható lesz. Ezenfelül a Bluetooth fejlődött is az évek során. A Bluetooth mindig a 2,4 GHz-es ipari, tudományos és orvosi (ISM) frekvenciasávban működött, kezdve a GFSK modulációval és 79 darab 1 MHz-es vivőfrekvenciával, ami 1 Mb/s átviteli sebességet tett lehetővé. Ezt nevezik Bluetooth alapsebességnek (BR, Basic Rate). Alkalmazkodó FHSS kódolási sémája lehetővé teszi, hogy zavarójelek jelenléte esetén is hatékony maradjon, még úgy is, hogy a dolgok internete (IoT) több vezeték nélkül kapcsolódó eszközzel jár. A hatékonyabb adatátvitel érdekében a Bluetooth 2.0+ EDR (Enhanced Data Rate – megnövelt adatátviteli sebesség) π/4-DQPSK (negyed fázis fáziskülönbségű fáziseltolásos moduláció) és 8DPSK modulációt használ, így 2 Mb/s, illetve 3 Mb/s adatátviteli sebességet érve el. Mivel a Bluetooth technikát szigorúan felügyeli a SIG, a tervezőknek figyelemmel kell kísérniük azokat a változásokat, amelyek a Bluetooth 4.0 alapjellemzők (Core Specification) bevezetésével jelentek meg 2010-ben. Ez vezette be a kis fogyasztású Bluetooth (BLE, Bluetooth Low Energy) megoldást, amelyre korábban intelligens Bluetooth (Bluetooth Smart) néven hivatkoztak. A BLE visszafelé nem kompatibilis a Bluetooth Classic megoldással, így a tervezőknek itt oda kell figyelniük. A BLE elsődleges célja a kis fogyasztás. Ezt úgy valósítja meg, hogy a Bluetooth Classic kapcsolatközpontú megközelítése helyett – ahol a készülékek mindig kapcsolódnak egymáshoz – kapcsolat nélküli megközelítést használ – ahol csak akkor kapcsolódnak egymáshoz rövid ideig, amikor arra szükség van. Alkalmazási területei a viselhető eszközök, például okosórák, valamint a dolgok internetéhez (IoT) kapcsolódó eszközök érzékelői. A Bluetooth SIG nem hagyta abba a jellemzők fejlesztését, hogy a Bluetooth megfeleljen a tagok és az általuk fejlesztett alkalmazások szerteágazó követelményeinek. A fejlődésről bővebben a DigiKey weboldalán található cikkgyűjteményben olvashat: Bluetooth 4.1, 4.2 and 5 Compatible Bluetooth Low Energy SoCs and Tools Meet IoT Challenges (Part 1) (Bluetooth 4.1-, 4.2- és 5-kompatibilis, kis fogyasztású, lapkára épített rendszerek és eszközök – megfelelnek a dolgok internete (IoT) jelentette kihívásoknak (1. rész).)A legújabb verzió, a Bluetooth 5 erősebb, előremutató hibajavítást (FEC, forward error correction) használva megkétszerezi a BLE adatátviteli sebességét az 1 Mb/s-ról 2 Mb/s-ra, és négyszeresére, maximum 50 m-re növeli a 128 kb/s átviteli sebességű kapcsolat hatótávolságát. A nagyobb adatátviteli sebesség több csomag átvitelét teszi lehetővé egy időszakasz alatt, miközben csökken a fogyasztás, mert a készülék hosszabb időközökig marad kis fogyasztású vagy tétlen üzemmódban. A nagyobb kapcsolódási távolság nagyobb rugalmasságot ad a tervezőknek a nagy távolságú adatátviteli sebességhez kapcsolódó kompromisszumok terén minden Bluetooth-eszköz, így a jeladók esetében is. A jeladók elemről vagy akkumulátorról üzemelő BLE-eszközök, amelyek saját azonosítójukat sugározzák a közelükben lévő mobileszközök számára, hogy azok végrehajthassanak bizonyos műveleteket, amikor a jeladó közelében vannak. A hirdetők körében népszerű jeladók ezenkívül pontos bel- és kültéri nyomkövetést is lehetővé tesznek. A SIG létrehozott azonban egy másik érdekes fejlesztést is, amit a szabadalmazott rádiófrekvenciás illesztőfelületeket használó tervezők is meg tudnak csinálni. Csökkentették a csomagrátétek hasznos adatmennyiséghez számított arányát, így kevesebb számú adatátvitellel lehet elküldeni egy adott „tényleges” adatmennyiséget, ami még tovább csökkenti a fogyasztást. Ami egyszerű kábelkiváltó műszaki megoldásnak indult, valami sokkal hasznosabbá alakult át. Ennek köszönhetően a tervezők egyre inkább a gyors és könnyű Bluetooth-megoldást keresik, hogy ne kelljen viselniük a saját rádiófrekvenciás illesztőfelület tervezésével járó költségeket. 

3. ábra   A Silicon Labs EFR32FG14 Flex Gecko modulja stabil hardverplatformot kínál, amelyre szabadalmazott szoftver alkalmazható vagy fejleszthető (A kép forrása: Silicon Labs)

A Bluetooth-rendszer használatba vétele

A Bluetooth-illesztőfelület választása különösen indokolt, ha a piacra dobáshoz rendelkezésre álló időszak rövid, és a tervezési költségvetés szűkös. Szerencsére számos tervező megteheti, hogy valamilyen készen kapható Bluetooth-modult használjon, ami lehetővé teszi, hogy a fejlesztőcsapat a végső alkalmazásra és az egyediségre összpontosítson. Ilyen modul a BMD-330 Bluetooth 5 modul a Rigado cégtől. A Bluetooth-rendszerekhez általában számos modul áll rendelkezésre, ez a típus viszont kimondottan érdekes és hasznos, mert beépített antennát tartalmaz az áramköri lapon. A rádiófrekvenciás rendszerek tervezésének egyik legkifinomultabb része az antenna illesztése és elhelyezése, így ha ennek terhét levesszük a tervező válláról, időt takarítunk meg, és segítjük az optimális jelcsatolás megvalósítását (1. ábra). A modul kész megoldás a megfelelő hatósági jóváhagyásokkal, az áramköri lapon elhelyezett saját egyenáramú (DC–DC) átalakítóval és intelligens teljesítményszabályozóval. A mérete 9,8 × 14,0 × 1,9 mm. Mivel az antenna is az egység részét képezi, nem kell megfelelő földsík a hatékony jelsugárzáshoz. A modul antennarészéből kinyúló terület közelében nem lehet réz vagy más fém – mert az rontja a teljesítményt –, a modult pedig a nyomtatott áramköri lap szélén kell elhelyezni úgy, hogy az antenna kifelé nézzen. Mivel fedetlenül való működésre van tervezve és behangolva, a tokozás, az epoxigyantával elfedés, a burkolatba helyezés vagy az alakkövető bevonat rontja a teljesítményt, és az alkalmazás után további intézkedésekre lesz szükség ahhoz, hogy a kapcsolat vesztesége a megadott értékeken belül maradjon. A modul alapja a Nordic Semiconductor által gyártott, nRF52810  típusú lapkára épített rendszer (SoC). A rendszer egy 64 MHz órajelű ARM^® Cortex™ M4 CPU-t használ 192 kB gyorsmemóriával (flash) és 24 kB RAM-mal (2. ábra).  Ez a gyorsmemória nem valami sok, ezért a Rigado nem ad gyári firmware-t a modulhoz. Mivel nincs rendszerbetöltő program, minden firmware-t a soros vezetékes hibakereső (SWD) illesztőfelület használatával kell betölteni. Miután ez megtörtént, a Nordic kínál egy SoftDevices nevű, protokollvermeket tartalmazó kiterjedt tömböt. Ezek gépi kódra gyárilag lefordított, gyárilag csatolt bináris fájlok, amelyeket a Nordic webhelyéről lehet letölteni. Az nRF52810 SoC rendszerrel ellátott BMD-330 modul az S132 (BLE Central & Peripheral) SoftDevice, valamint a memóriaoptimalizált S112 (BLE Peripheral) SoftDevice protokollvermet támogatja. A BMD-330 modul legfontosabb műszaki adatai a +4 dBm adóteljesítmény és a -96 dBm vételi érzékenység (BLE üzemmódban). A modul 3 V-os tápfeszültségről üzemel, és adás üzemmódban +4 dBm adóteljesítmény esetén 7,0 mA, 0 dBm adóteljesítmény esetén 4,6 mA az áramfelvétele. Vételi üzemmódban 1 Mb/s átviteli sebesség esetén 4,6 mA, 2 Mb/s átviteli sebesség esetén 5,8 mA az áramfelvétele. Mind az adási, mind a vételi értékek feltételezik, hogy az egyenáramú (DC–DC) áramátalakító engedélyezett. Ha nincs engedélyezve, az áramfelvételi értékek nagyobbak. 

4. ábra   Az SLWRB4250A Flex Gecko rádiófrekvenciás áramköri lap tartalmazza a szabadalmazott, kis fogyasztású, vezeték nélküli illesztőfelületekkel való kísérletezéshez szükséges hardvereszközöket (A kép forrása: Silicon Labs)

Szabadalmazott RF és egy Bluetooth-os megoldás összehasonlítása

A szabadalmazott rádiófrekvenciás kialakítás és a szabványos Bluetooth-megoldás használata között van még egy megoldás, a készen kapható rádió adó-vevő, amely köré a tervezők saját protokollt és kódolási sémát fejleszthetnek, vagy alkalmazhatnak olyan készen kapható megoldásokat, mint az Ant, a Thread vagy a Zigbee. Az elérhető félvezetős termékek árának csökkenését és a szoftvertámogatás széles körét tekintve ez egy „aranybánya” lehet az egyedit, az optimalizálás finom lehetőségeit és a biztonság növelésének módját kereső tervezők számára, miközben a költségeket a legalacsonyabban lehet tartani, és a tervezési ütemtervet sem kell megváltoztatni. Az ilyen megoldások iránt érdeklődő tervezők számára jó választás lehet a Silicon Labs EFR32FG14 Flex Gecko típusú, szabadalmazott protokollcsaládon alapuló lapkára épített rendszere (SoC) (3. ábra). A BMD-330-hoz hasonlóan az EFR32FG14 is egy ARM^® Cortex^®-M4 magot használt, de ez 64 MHz helyett csak maximum 40 MHz-en képes futni, mert a lapkát főleg kis fogyasztású, a dolgok internetéhez (IoT) kapcsolódó alkalmazásokba szánták. A modul 256 kB gyorsmemóriát (flash) és 32 kB RAM-ot tartalmaz. Itt jegyeznénk meg, hogy a lapka támogatja a 2,4 GHz-es és a GHz alatti (915 MHz-es) működést is, és jár hozzá az antennahálózat illesztését segítő útmutató is. A lapka támogatja az antennaátkapcsolást is, hogy csökkentse a frekvenciafüggő jelcsökkentés hatását.Sokféle rugalmas be- és kimenet és biztonsági funkció is be van építve, többek között egy 12 csatornás perifériatükröző rendszer, amely lehetővé teszi a mikrovezérlős MCU-perifériák önálló együttműködését, maximum 32 általános célú be- és kimenet (GPIO), valamint egy önálló hardveres titkosításgyorsító és egy igazi véletlenszám-generátor. A lapkára van építve a 2,4 GHz-es és a GHz alatti működés teljesítményerősítője is. A fejlesztés segítésére szolgál a Silicon Labs cégnek az EFR32FG termékcsaládhoz való SLWRB4250A áramköri lapja. Ezen megtalálható a lapkára épített rendszer (SoC), a fejlécek, a kristályok és antennaillesztő áramkörök, valamint a szoftver (4. ábra).

Következtetés

Sok érvet lehet felhozni mind a teljesen szabadalmazott rádiófrekvenciás megoldás tervezése, mind a szabványos Bluetooth-os rádiófrekvenciás egység használata mellett. Mindkettőnek megvan a maga helye, ha a költségeket, az időt, a teljesítményt, a méretet, a biztonságot és számos egyéb tényezőt szeretnénk optimalizálni a tervezési és alkalmazási követelményekhez. Azon tervezők számára azonban, akik szeretnék kihasználni a készen kapható félvezetős termékek számos költség- és időmegtakarítási előnyét, de nem mondanának le a szabadalmazott termékek biztosította egyediség bizonyos szintjéről és rugalmasságáról, a gyártók már kínálnak jó minőségű hardverplatformokat, amelyek köré kiépíthetik a rendszerüket. 

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics

Angol / német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Sales Director, Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.digikey.hu

Még több Digi-Key Electronics