מימון תדירות שינוי Keying

(FSK) היא תוכנית מודולציה דיגיטלית שבה נתונים בינאריים מיוצגים על ידי שינויים בתדר דיסקרטיים של גל נושאות (FSK) בצורתו הפשוטה ביותר, לוגיקה ו-#8216;0 ’ תואמים לתדירות אחת (FLT:0mark FrepLT:1K) ולוגיקה ’ לתדירות נמוכה יחסית ל-F2 ליטרים (FLT) יש צורך באופן נרחב יותר לרעש אלחוטי).

עם זאת, יישומי FSK מודרניים (FLT:0) יכולים להשיג יעילות אנרגיה יוצאת דופן ויעילות אנרגיה מתחדשת באמצעות עיצוב מעגלים קפדני, רכיבה אגרסיבית על אופניים, ושילוב עם טכניקות מתקדמות של כוח-אדם כוח-כוח הוא למזער את הגירשה הפעילה מבלי להתפשר על כוח תפוקה, יציבות תדירות, או שיעור נתונים. מאמר זה מספק מפת דרכים מפורטת לתכנון מהנדסי אנרגיה FSK ניידים עבור יישומים, המכסה את כל דבר מ אנטנה.

תקציבים בסוללות Powered Wireless

לפני צלילה לתוך עיצוב משדר, חיוני להבין את תקציב הכוח של צומת אלחוטי טיפוסי סוללה.העבר שולט לעתים קרובות צריכת אנרגיה.לדוגמה, 433 מ"ר פשוט מודול FSK יכול לצייר 30 מ"א במהלך שידור, בעוד המיקרובקר חיישן יכול לצרוך רק 1-2 מ"א פעיל במצב ומיקרו- microamps בשינה.

(FLT:0) זרם (I avg) = I tx *חובה cycle + I idle * (1 – חובה cycle)FLT:1 כאן, חובה מחזור הוא השבריר של הזמן המשדר שולח באופן פעיל חבילות (לדוגמה, חיישנים מרוחקים) עבור רבים מרחק, טמפרטורה, מגעים), מחזור של 0.1% ל-1% הוא התוספת של 10 ליטרים (A) עם ממוצע של 30 שניות (אך הוא 10 מטר) עם מחזור אורך חיים של 30.

אסטרטגיות עיצוב עבור אנרגיה-Efficient FSK Transmitters

1.הגברת כוח-ההשפעה (PA) topologies

למגבר הכוח הוא הצרכן הגדול ביותר של כוח DC בכל משדר.תתת מסורתית יש יעילות מקסימלית תיאורטית של 50% ובדרך כלל להשיג רק 30–40% בפועל, מתפזר את השאר כחום. עבור יישומים סוללות, שיעורים כגון FLT:0-ELT:1 ו-FLT:2 Class-FLT 3 הם הרבה יותר גבוהים, שיעורים כגון: 80% מעל לתפוקה גבוהה יותר.

  • (FLT:0) Class-Eve:FLT:1 השתמש רשת transistor יחיד ורשת resonant לעצב את המתח ואת הצורות הנוכחיות כך שה transistor פועל כמו מתג עם מעבר אפס-voltage (ZVS) זה מבטל חפיפה בין מתח וזרם דרמטי, צמצום הניתוק באופן דרמטי.
  • (FLT:0) Class-Fori:FLT:1 מעסיקים resonators הרמוני לעצב את הפלט גלפור לתוך מתח דמוי ריבוע ו- חצי-סין הנוכחי, שוב מיני הפסדים טרנסיסטאור.
  • (FLT:0) הרש"פ:FLT:1 עבור כוחות תפוקה גבוהים יותר (10 ד"ר ומעלה), הרשות הפלסטינית דוחפת-פוחתת שונה יכולה לשפר את היעילות ולהקטין אפילו את ההרמוניה בסדר.

שיקול מעשי: רשת התפוקה הפלסטינית תואמת יש לתכנן עבור אובדן של שילוב מינימלי. השתמש בתלמידים בעלי ירידה נמוכה (אוויר-core או קרמיקה גבוהה Q) ו capaciacitors עם ESR נמוך. A 0.2 dB שיפור בהפסד רשת תואם יכול להפחית את זרם הרש"פ על ידי 5 עד 10% עבור אותו כוח קורנ.

עיצוב אוספיטור נמוך

משדרי FSK דורשים מקור תדירות שניתן לעבור במהירות בין שני תדרים תוך שמירה על רעש בשלב נמוך וצריכת חשמל נמוכה.

  • (FLT:0LC Oscillator with Varactor Tuning:FLT) 1 A Colpitts או cross-coupled LC oscillator יכול להשיג כוח נמוך מאוד (sub-mA) בתדרים UHF.המתח הכוונון (Vtune) החל משינויי ה-VSCM על ידי החלפת מתח נמוך של 2, כמו גם מ-FK4 ליטרים, הוא תהליך סטנדרטי ל-ACM, כמו קיבולת נמוכה של קיבולת נמוכה של קיבולת נמוכה, כ-F.
  • (FLT:0)Direct Digital Synthesis (DDS) + PLLOVA:FLT:1 עבור שיעורי מודולציה גבוהים יותר או FSK ברמה גבוהה, לולאה ממונעת בשלב DDS מציעה פתרון תדר מעולה ויציבות.עם זאת, DDS ו- PLL לצרוך יותר כוח (לעתים קרובות 5-15 מ"ק) רק לבחור את הנתיב הזה אם שיעור הנתונים עולה על כמה מאות צלעות או אם יש צורך (FS) 8K).
  • (FLT:0) מ"מ רונסוןטורים:FLT:1 מתפתח oscillators מבוסס MEMs לספק כוח אולטרה נמוך (עשרות של מיקרו-אמפים) ויציבות גבוהה, אבל טווח הכוונון שלהם מוגבל.הם יכולים לשמש כשעוןי התייחסות עבור שבריר-N PLL, המסחר כמה כוח עבור גודל והטבות עלות.

3. Modulation Scheme Optimization

FSK עצמו הוא קבוע-envelope, כלומר הרש"פ יכולה להיות מונעת לתוך משיכה מקסימלית. עם זאת, סטיית התדר וקצב הנתוניםHz להשפיע הן על הרגישות המקלט והן על דיקור ספקטרום למערכות המוגבלות באנרגיה, לבחור את הסטייה הקטנה ביותר כי המקלט יכול לזהות באופן אמין. A צר יותר מאיץ את רוחב הפס ומאפשר תדירות נמוכה יותר (IF) רוחב פס, שיפור הפטורים מ סטיות נמוכה של 10K.

Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) חל מסנן Gaussian לדופקי הבסיס לפני המודולציה, צמצום המרכיבים ספקטרליים של פס-band, בעוד GFSK אינו משנה את יעילות ה-S העליון של הרש"פ, הוא מאפשר שימוש במסנן ערוץ צר יותר, פוטנציאל להפחית את הכוח הכולל (המקבל יכול להיות יותרסלקטיבי ולהשתמש בזמניים קצרים יותר).

4.שלב טופולוגיה ו-Liout for Parasitic Minimization

קפיצות פרדוקסטיות וחינוך בשטרות PCB וחבילות רכיב יוצרות אובדן חשמל לא רצוי.לדוגמה, קיבול חד-חמצני חד-חמצני בתפוקה של הרש"פ ב 915 MHz יפרש כ-5.7 מ"א של זרם (at 3.3 V Supply) כדי לקרקע, לבזבז כוח.

  • להציב את הרש"פ, אווסטור, והתאמה של רכיבי רשת קרוב ככל האפשר לנקודת הזנה האנטנה.
  • השתמש בקרקע באמצעות ליברל ומטוס קרקע מוצק על השכבה ישירות מתחת רכיבי RF.
  • גודל החבילה עם ניכויים פרציטיים נמוכים (למשל, 0402 ולא 0603 או 0805) עבור נקודות RF קריטיות.
  • שמור על אורך האנטנה לעקוב קצר ולהבטיח תנופה אופיינית 50-ohm.

טכניקות ניהול חשמל מתקדמות

מעבר לפשוט /Off

פשוט העברת אופניים חובה יעילה, אבל רווחים נוספים באים מתזמון חכם.

  • (FLT:0)Wake-up על החבילה: FIRLT:1 חלק משדרים משלבים שעון ערה תקופתי במקום לשדר מעת לעת מגדלור, המקלט (אם זה נוכחי) מקשיב לאות ער, והמדר רק מפעיל על פי בקשה.גישה דו-כי-כיונית זו יכולה להפחית את הזרם הממוצע, אך היא מוסיפה צריכת חשמל.
  • (FLT:0) שיעור הנתונים הממכר:FLT:1hil אם הערוץ ברור, המשדר יכול להשתמש בתעריף נתונים גבוה יותר עם אותה אנרגיה ל bit. גבוה יותר שיעור נתונים פירושו משך החבילה קצר יותר, צמצום הזמן הפעיל.
  • (FLT:0) אופטימיזציה בגודל של Pcket:FLT:1hil עבור מטען נתון, חבילה ארוכה יותר (כולל preamble ו- CRC) מגבירה את משך הזמן. השתמש אורך ההכנה המינימלי שצוין על ידי המקלט לשקול דחיסת תשלום אם הנתונים חוזרים על עצמם.

מבצע נמוך וניהול כוח ICs

רוב משדרי FSK מדגימים את המתח המינימלי של 1.8 V ל-3.6 V. הפעלה בקצה התחתון של הטווח מקטין צריכת החשמל באופן חד-משמעי עבור מעגלים דיגיטליים בערך ליניארי עבור בלוקים אנלוגיים. רכיבי RF רבים יש הרגולטורים פנימיים לאבד כמה יעילות; עקפים אותם עם רגולטורים בעלי יעילות גבוהה חיצונית (LDs) או באמצעות אספקת חשמל מוחלף (MS) יכול לחסוך 10-20% מכלל).

עבור מערכות חשמל אולטרה-נמוכות, לשקול FLT:0 (בקיצור:0) ממירב-boost ממיר 1FLT: 1 , המספק 1.8 V יציב מסוללה יחיד-תא יחיד אלקליין או ליתיום סוללה שעשויה להיצמד ל- 0.9 V קרוב לסוף החיים. עם זאת, הממיר עצמו שואב את החיים הנוכחיים (לעתים 2-10 μA).

בחירה ו-Basing

(FLT:0) Transistors:FLT:1 עבור עיצובים דיסקרטיים (למשל, BFP740F, NE68030), לבחור טרנזירים עם מתח השבתה נמוך ו f T T. עבור פתרונות משולבים, CMOS תהליכים עם בידוד עמוק N-well ומכשירים תחמוצמיים עבה להפחית את הדליפה.

(FLT:0)Biasing: FLT:1 Class-E מגבר צריך הטיה מדויקת כדי להבטיח ZVS. להשתמש מקור הטיה מוטה נוכחי (מ-DAC או דיגיטלי מבוקר חזק רב עוצמה) כדי להתאים את ההטיה בייצור, מאמת את וריאציות התהליך.זה מבטיח כי המגבר פועל במקום המתוק יעילות.

יישום מעשי: מדריך צעד-בי-צעד

כדי להמחיש את העקרונות האלה, הנה זרימת עיצוב שלב אחר שלב עבור משדרת FSK Hz 915 מהרץ מיקוד כוח פלט 10 dBm ו 50 kbps נתונים, צריכת פחות מ 20 מ"א מ-1.8 V אספקת.

  1. (FLT:0) specification Definition: FLT:1 טווח היעד Determine (100 מ'), אנטנה סוג (מונופול רבע גל), מודולציה (GFSK עם h=0.5), וכימיה סוללות (CR2032).
  2. (FLT:0Architecture Selection: FLT:1hil) בחר מודולר FSK עם מודולציה ישירה VCO (LC-based) כדי להימנע מ-hungry PLL.
  3. <חזק>VCO Design: השתמש בזוג NMOS עם מקור נוכחי זנב שנקבע ל 400 μA. טנק ה-LC משתמש ביצור אווירי גבוה (L=8.2 nH) ו- afold-varactor (SMV1248 או דומה) עבור כוונון שלב של סימום (< - 110DBc / @ 1 מ- Mset).
  4. (FLT:0) עיצוב:03FLT:1) עיצוב שלב יחיד-קצה-E.הטרנסטור הרש"פ הוא מכשיר 0.35 CMOS עם W /L=800/0.35. Output Network: L1=3.9 nH, C1=2.2F (shunt), C2=1.8p (s Sim) לנטרל יעילות > 80% ב- 10B d10.
  5. <חזק>Matching Network: השתמש ברשת L-C-L נמוכה ( ⁇ ) כדי להפוך את אנטנה 50-ohm לעומס האופטימי של הרש"פ.
  6. (FLT:0) Power Management:BuildFLT:1) השתמש ב-TPS78233 LDO (300 nA quiescent) כדי להסדיר את מתח הסוללה ל-1.8 V. הוסף מתג מבוקר דיגיטלית כדי לקצץ את הכוח ל- VCO ורש"פ כאשר לא להעביר.
  7. (FLT:0)Layout ו Prototyping:cioFLT:1 ), בצע את כללי פריסת RF. השתמש בלוח FR4 עם 0.8 מ"מ עובי, נחושת 1-oz, ומטוס קרקע מוצק.
  8. (FLT:0) esting and Optimization:FLT:1 Measure Currentצריכה עם סדרה התנגדות וoscilloscope. להתאים את ההטיה ליעילות הטובה ביותר. Measure פלט כוח עם מנתח ספקטרום.Tweak תואם רשת עבור העברת חשמל מקסימלית.

דוגמאות אמיתיות בעולם ו Case Studies

(FLT:0)Example 1: TI CC1101 FSK TransceiverFLT:1hilFLT:2 The Texas Instruments CC1101 הוא תת-ממדי פופולרי בגודל 1 GHz FSK transceiver המסוגל ל- 1.2-600 kbps. in משדר מצב ב-10DBm, הוא שואב בערך 22 מ-1.8 V. על ידי שימוש בחבילת טיפול מובנה ו-micro-A ל-iOS (בטווח קצר) עם ממוצע של פחות מ- 60 שניות לאחר מכן, לעומת 3 שניות).

(FLT:0)Example 2: Maxim Integrated MAX7036cioFLT:1 ;2 זה משדר ASK / FSK משיג 12 dBm פלט עם 22 mA הצריכה הנוכחית. זה משלב שברירal-N PLL ומניפול כוח שניתן לסגור באופן עצמאי. עם 1 מ"מ להעביר זמן עבור 16-B2 ב 100b, לאחר מחזור אחד של 2 ליטר אחד בלבד לאחר מכן הוא מחזור אחד של 2.

דוגמאות אלה מדגישות כי בחירת הרכיב לבדה אינה מבטיחה כוח נמוך; עיצוב ברמה של מערכת - במיוחד רכיבה על אופניים ועלייה מהירה - היא קריטית באותה מידה.

מגמות עתידיות ב- Energy-Efficient Wireless Transmitters

(FLT:0)1. Ultra-Low-Voltage CMOS:Felo:FLT:1 Advances in sub-0.5 V CMOS מעגלים יאפשרו לשדר FSK לפעול ישירות מתא סולארי אחד או סוללה משוחררת לאחרונה, ביטול ההפסדים של DC-DC.

(FLT:0)2. Backscatter תקשורת: ההרחבה 1 (עבור נתונים לסירוגין, טכניקות אחוריות (למשל, גיבוי FSK) יכול לחסל את השידור הפעיל לחלוטין.

(FLT:0.3. Software-Defined Radios (SDR) עם קצירת אנרגיה: אנדרט 1 SDR מבוסס SDR יכול להתאים את המודולציה, שיעור הנתונים וכוח בזמן אמת בהתבסס על תנאי ערוצים ואנרגיה זמינה. למידת מכונה ניתן להשתמש כדי לחזות תעבורה ולוח זמנים בעת איסוף אנרגיה הוא בשפע.

(FLT:0.4.MEMs- Based Frequency Reference:FLT) 1 מיילדות nanoAmp באמצעות ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:05 Integrated Passives inחבילה (IPDIRLT): 1FLT:1 Embedding התאמות רשתות, מרפסות, ואנטנות בחבילת IC מפחיתות את קצבאות PCB ומפחית את טביעת הרגל, המוביל לירידה באובדן כוח מוחלט.

לקריאה נוספת על עיצוב RF בעוצמה נמוכה, מתייחס ל-FLT:0.Texas Application Note SWRA117IRULFLT:1 ו-FLT:2Analog Devices ArticleBuildFLT 3.

מסקנה

תכנון משדר יעיל באנרגיה FSK עבור יישומים מופעלים סוללות דורש גישה מתוזמרת בקפידה המשתרעת על פני השטח של מעגלים טופולוגיה, בחירת רכיב, ניהול כוח, ורכיבה ברמת המערכת.הרווחים הגדולים ביותר מגיעים משלב המגבר של הכוח, שבו מעבר להתנצלות כמו Class-E יכול להכפיל או משולש יעילות בהשוואה למגבר ליניארי.

מעבר לשדר עצמו, מהנדסים חייבים לשקול את המערכת הרחבה יותר: מהיר-startup VCO, לוח זמנים אינטליגנטי, ופעולה אולטרה-וול-voltage משלבת כדי להביא את הצריכה הנוכחית הממוצעת בטווח המיקרו-אמפ, המאפשר שנים של הפעלה רציפה של סוללה קטנה. כמו טכנולוגיות מתפתחות כגון CMOS sub-threshold, MEMs הפנה cillators, ו-SDR מותאמים יותר, הדור הבא של מערכות קישוריות אלחוטית (SKer) אפילו לדחוף את היעילות האלחוטית של מערכות ההפעלה של מערכות ההפעלה האלחוטית (SKert)

על ידי ביצוע האסטרטגיות המפורטות במאמר זה - הרש"פ בעלות גבוהה, אוספי חשמל נמוכים, תוכניות אופטימליות מודולציה, ורכיבי אופניים אגרסיביים - אדוטרים יכולים ליצור משדרים FSK שהם אמינים ובר קיימא, לעמוד בדרישות המחמירות של מכשירים מודרניים המופעלים על סוללות.