Un módulo de RF (abreviatura de módulo de radiofrecuencia ) es un (generalmente) pequeño dispositivo electrónico que se utiliza para transmitir y / o recibir señales de radio entre dos dispositivos. En un sistema integrado, a menudo es deseable comunicarse con otro dispositivo de forma inalámbrica . Esta comunicación inalámbrica puede lograrse mediante comunicación óptica o mediante comunicación por radiofrecuencia (RF). Para muchas aplicaciones, el medio de elección es RF ya que no requiere línea de visión. Las comunicaciones de RF incorporan un transmisor y un receptor . Son de varios tipos y rangos. Algunos pueden transmitir hasta 500 pies. Los módulos de RF son típicamentefabricado con tecnología RF CMOS .
Los módulos de RF se utilizan ampliamente en el diseño electrónico debido a la dificultad de diseñar circuitos de radio. Un buen diseño de radio electrónico es notoriamente complejo debido a la sensibilidad de los circuitos de radio y la precisión de los componentes y diseños necesarios para lograr el funcionamiento en una frecuencia específica. Además, el circuito de comunicación de RF confiable requiere una supervisión cuidadosa del proceso de fabricación para garantizar que el rendimiento de RF no se vea afectado negativamente. Finalmente, los circuitos de radio generalmente están sujetos a límites en las emisiones radiadas y requieren pruebas de conformidad y certificación por parte de una organización de estandarización como ETSI o la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU . Por estas razones, los ingenieros de diseño a menudo diseñarán un circuito para una aplicación que requiere comunicación por radio y luego "colocarán" un módulo de radio prefabricado en lugar de intentar un diseño discreto , ahorrando tiempo y dinero en el desarrollo.
Los módulos de RF se utilizan con mayor frecuencia en productos de volumen medio y bajo para aplicaciones de consumo, como abrepuertas de garaje, sistemas de alarma o monitoreo inalámbricos, controles remotos industriales , aplicaciones de sensores inteligentes y sistemas de automatización del hogar inalámbricos . A veces se utilizan para reemplazar los diseños de comunicación por infrarrojos más antiguos , ya que tienen la ventaja de que no requieren una operación de línea de visión.
Varias frecuencias portadoras se utilizan comúnmente en módulos de RF disponibles comercialmente, incluidos los de las bandas de radio industriales, científicas y médicas (ISM) , como 433,92 MHz, 915 MHz y 2400 MHz. Estas frecuencias se utilizan debido a las normativas nacionales e internacionales que rigen el uso de la radio para la comunicación. Los dispositivos de corto alcance también pueden utilizar frecuencias disponibles para los que no tienen licencia, como 315 MHz y 868 MHz.
Los módulos de RF pueden cumplir con un protocolo definido para comunicaciones de RF como Zigbee , Bluetooth Low Energy o Wi-Fi , o pueden implementar un protocolo propietario .
Tipos de módulos de RF
El término módulo de RF se puede aplicar a muchos tipos, formas y tamaños diferentes de placa de circuito de subconjunto electrónico pequeño . También se puede aplicar a módulos en una gran variedad de funcionalidades y capacidades. Los módulos de RF normalmente incorporan una placa de circuito impreso, un circuito de transmisión o recepción, una antena y una interfaz en serie para la comunicación con el procesador principal.
La mayoría de los tipos estándar y bien conocidos se tratan aquí:
- módulo transmisor
- módulo receptor
- módulo transceptor
- sistema en un módulo de chip .
Módulos transmisores
Un módulo transmisor de RF es un pequeño subconjunto de PCB capaz de transmitir una onda de radio y modular esa onda para transportar datos. Los módulos transmisores generalmente se implementan junto con un microcontrolador que proporcionará datos al módulo que se pueden transmitir. Los transmisores de RF generalmente están sujetos a requisitos reglamentarios que dictan la potencia máxima permitida del transmisor , los armónicos y los requisitos de borde de banda.
Módulos receptores
Un módulo receptor de RF recibe la señal de RF modulada y la demodula . Hay dos tipos de módulos receptores de RF: receptores superheterodinos y receptores superregenerativos . Los módulos superregenerativos suelen ser diseños de bajo costo y baja potencia que utilizan una serie de amplificadores para extraer datos modulados de una onda portadora. Los módulos superregenerativos son generalmente imprecisos ya que su frecuencia de operación varía considerablemente con la temperatura y el voltaje de la fuente de alimentación. [ cita requerida ] Los receptores superheterodinos tienen una ventaja de rendimiento sobre los superregenerativos; ofrecen mayor precisión y estabilidad en un amplio rango de voltaje y temperatura. Esta estabilidad proviene de un diseño de cristal fijo que en el pasado tendía a significar un producto comparativamente más caro. Sin embargo, los avances en el diseño del chip receptor ahora significan que actualmente hay poca diferencia de precio entre los módulos receptores superheterodinos y superregenerativos.
Módulos transceptores
Un módulo transceptor de RF incorpora tanto un transmisor como un receptor. Por lo general, el circuito está diseñado para funcionamiento semidúplex , aunque se encuentran disponibles módulos de dúplex completo , generalmente a un costo más alto debido a la complejidad adicional.
Sistema en un módulo de chip (SoC)
Un módulo SoC es lo mismo que un módulo transceptor, pero a menudo se fabrica con un microcontrolador integrado. El microcontrolador se usa típicamente para manejar paquetes de datos de radio o administrar un protocolo como un módulo compatible con IEEE 802.15.4 . Este tipo de módulo se usa típicamente para diseños que requieren procesamiento adicional para cumplir con un protocolo cuando el diseñador no desea incorporar este procesamiento en el microcontrolador anfitrión.
Interfaz del microcontrolador de host
Los módulos de RF normalmente se comunican con un sistema integrado, como un microcontrolador o un microprocesador. Los protocolos de comunicación incluyen UART , que se utiliza en los módulos X-Bee de Digi International , el bus de interfaz de periféricos en serie que se utiliza en los módulos AIR de Anaren y el bus en serie universal que se utiliza en los módulos de Roving Networks. Aunque el módulo puede utilizar un protocolo estandarizado para la comunicación inalámbrica, los comandos enviados a través de la interfaz del microcontrolador no suelen estar estandarizados, ya que cada proveedor tiene su propio formato de comunicaciones patentado. La velocidad de la interfaz del microcontrolador depende de la velocidad del protocolo de RF subyacente utilizado: los protocolos de RF de mayor velocidad, como Wi-Fi, requieren una interfaz en serie de alta velocidad, como USB, mientras que los protocolos con una velocidad de datos más lenta, como Bluetooth Low Energy, pueden utilizar una interfaz UART.
Modulación de señal RF
Hay varios tipos de métodos de modulación de señales digitales que se utilizan comúnmente en los módulos transmisores y receptores de RF:
- PEDIR
- OK
- FSK
- Espectro extendido de secuencia directa
- espectro ensanchado por salto de frecuencia .
La descripción detallada, las ventajas y las desventajas se enumeran en los artículos vinculados anteriores.
Principales factores que afectan el rendimiento del módulo de RF
Como ocurre con cualquier otro dispositivo de RF, el rendimiento de un módulo de RF dependerá de varios factores. Por ejemplo, al aumentar la potencia del transmisor, se logrará una mayor distancia de comunicación. Sin embargo, esto también dará como resultado un mayor consumo de energía eléctrica en el dispositivo transmisor, lo que reducirá la vida útil de los dispositivos alimentados por batería. Además, el uso de una potencia de transmisión más alta hará que el sistema sea más propenso a interferencias con otros dispositivos de RF y, de hecho, posiblemente haga que el dispositivo se vuelva ilegal según la jurisdicción. En consecuencia, aumentar la sensibilidad del receptor también aumentará el rango de comunicación efectivo, pero también causará potencialmente un mal funcionamiento debido a la interferencia de otros dispositivos de RF.
El rendimiento del sistema en general puede mejorarse mediante el uso de antenas adaptadas en cada extremo del enlace de comunicación, como las descritas anteriormente.
Finalmente, la distancia remota etiquetada de cualquier sistema en particular se mide normalmente en una configuración de línea de visión al aire libre sin ninguna interferencia, pero a menudo habrá obstáculos como paredes, pisos o construcciones densas para absorber las señales de ondas de radio, por lo que el La distancia operativa efectiva será en la mayoría de los casos prácticos menor que la especificada.
Conexión física del módulo
Se utilizan una variedad de métodos para conectar un módulo de RF a una placa de circuito impreso , ya sea con tecnología de orificio pasante o tecnología de montaje en superficie . La tecnología de orificio pasante permite insertar o quitar el módulo sin soldar. La tecnología de montaje en superficie permite que el módulo se conecte a la PCB sin un paso de ensamblaje adicional. Las conexiones de montaje en superficie utilizadas en los módulos de RF incluyen la matriz de rejilla terrestre (LGA) y las almohadillas almenadas. El paquete LGA permite tamaños de módulo pequeños ya que las almohadillas están todas debajo del módulo, pero las conexiones deben ser radiografiadas para verificar la conectividad. Los orificios almenada permiten la inspección óptica de la conexión, pero harán que la huella del módulo sea físicamente más grande para acomodar las almohadillas.
Protocolos inalámbricos utilizados en módulos de RF
Los módulos de RF, especialmente los módulos SoC, se utilizan con frecuencia para comunicarse de acuerdo con un estándar inalámbrico predefinido, que incluye:
- Zigbee
- Bluetooth de baja energía
- Wifi
- IEEE 802.15.4
- Z-Wave
Sin embargo, los módulos de RF también se comunican con frecuencia mediante protocolos patentados, como los que se utilizan en los abre-puertas de garaje.
Aplicaciones Típicas
- Monitoreo de vehículos
- Control remoto
- Telemetría
- Red inalámbrica de pequeño alcance
- Lectura de contadores inalámbricos
- Sistemas de control de acceso
- Sistemas inalámbricos de seguridad para el hogar
- Paginación de área
- Sistema de adquisición de datos industriales
- Lectura de etiquetas de radio
- Tarjetas inteligentes RF sin contacto
- Terminales de datos inalámbricos
- Sistemas inalámbricos de protección contra incendios
- Adquisición de señales biológicas
- Monitoreo hidrológico y meteorológico
- Robot de control remoto
- Transmisiones de datos inalámbricas
- Transmisión de video / audio digital
- Automatización digital del hogar , como luz / interruptor remoto
- Control remoto industrial, telemetría y teledetección
- Sistemas de alarma y transmisión inalámbrica para varios tipos de señales digitales de baja velocidad.
- Control remoto para varios tipos de electrodomésticos y proyectos de electrónica.
- Muchos otros campos de aplicaciones relacionados con el control inalámbrico de RF
- Servidor web móvil para monitorización de personas mayores
Certificación del módulo de RF en caso de integración del producto final
El cumplimiento normativo final del producto basado en un módulo de RF integrado y compatible (como la mayoría de los dispositivos de IoT en la actualidad) es un malentendido común. Un módulo que cumpla con los requisitos esenciales de la regulación de los países ( FCC , CE , ICES , ANATEL , etc.) casi nunca cubre el producto final. Sin embargo, esto no significa que se requieran pruebas de cumplimiento completas al integrar un módulo de RF compatible. La integración de un módulo compatible tiene muchas ventajas.
El módulo de RF es esencial en el producto de consumo de este día, pero también es solo una parte del producto final. Los módulos de radio han evolucionado a lo largo de los años. Los reguladores de voltaje a bordo, la antena integrada generalmente intentan garantizar que los fenómenos de radio permanezcan iguales sin importar su anfitrión. Puede consultar la mayoría de las mediciones de espectro de RF en un nivel modular para verificar el cumplimiento cuando pruebe y certifique su producto en un laboratorio de RF de EMC acreditado por ISO 17025.
Al final, es el producto final el que debe cumplir con la normativa. Aspectos como salud, seguridad, susceptibilidad radiada no se pueden cubrir a nivel modular.
enlaces externos
- F. Egan, William (2003). Práctico diseño de sistemas de RF . Prensa de Wiley-IEEE. ISBN 978-0-471-20023-9.
- Fairall, John (2002). Introducción a la radio de baja potencia . RF Solutions Ltd. ISBN 978-0-9537231-0-2.