第2部分：FM解決方案和簡單載波開/關(guān)鍵控研究介紹

在本系列關(guān)于小型，低成本，一次性無線電設(shè)計的第1部分中，我們研究了AM技術(shù)，從單晶體管解決方案到集成SoC，可以提供可靠的單向通信。在第2部分中，我們將研究一些低成本FM解決方案以及相移鍵控（PSK），頻移鍵控（FSK）和簡單載波開/關(guān)鍵控（OOK）。在下一部分的第3部分中，我們將研究單片無線電收發(fā)器，它將微控制器與無線電一起嵌入，以實現(xiàn)更高的性能水平。

開啟，關(guān)閉FM

節(jié)省電量并保持氣道清晰，F(xiàn)M收音機芯片可用作載波，載波關(guān)閉以傳輸數(shù)據(jù)。與成幀的UART數(shù)據(jù)包一樣，信號的缺失是無效狀態(tài)，信號的存在開始一個起始位。此后，每個比特位置由有效載波的持續(xù)時間或無載波表示。這種異步技術(shù)可以很好地工作并且可以節(jié)省一些能量，因為關(guān)斷時間和邏輯0位不需要發(fā)送信號。

FM傳輸方案的另一個好處是，與AM一樣，它們的尺寸非常小且成本非常低，特別是在單晶體管實現(xiàn)中（圖1a和1b）。離散組件可以在幾乎為零功率的狀態(tài)下由FET完全關(guān)閉，直到被激活為止。使能信號實際上可以是純數(shù)字開/關(guān)鍵控（OOK）模式下的數(shù)據(jù)線。

圖1a（左）和1b（右） ）：許多簡單的單晶體管，低成本窄帶FM發(fā)射機設(shè)計在公共領(lǐng)域使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成部件很容易獲得。固定頻率或可調(diào)諧版本都是小型，低功耗和非常低的成本。

另請注意，線性模式可讓模擬信號控制頻率。這在兩個方面是有利的。首先，傳感器輸出可以直接驅(qū)動調(diào)制信號，如壓控振蕩器（VCO），無需微控制器，A/D轉(zhuǎn)換器和模擬組件即可提供模擬功能。這非常適合沒有微型的超小型解決方案。定時傳輸間隔也可以控制，在這種情況下是一個非常低頻率的振蕩器，可以在短時間內(nèi)打開和關(guān)閉設(shè)備（圖2）。

圖2：驅(qū)動VCO的傳感器可以在衰減或放大后直接調(diào)制載波，以利用整個動態(tài)范圍。使用低功耗定時FET電源開關(guān)可延長電池壽命。

第二個好處是，當(dāng)存在微控制器時，它可以用來自D/A的模擬信號驅(qū)動調(diào)制器，或者只是使用兩個帶有電阻分壓器的位，用于提供頻移鍵控（FSK）通信。單個PWM或相移鍵控也可以由微內(nèi)部使用和驅(qū)動?？梢允褂糜芯€OR方案來啟動振蕩器，或者微控制器的第三個I/O線可以啟用振蕩器。

這里的一個好處是發(fā)射頻率可以非常穩(wěn)定和窄帶。這意味著許多單元可以非常接近而不會相互干擾，并且接收站僅“調(diào)入”它想要監(jiān)視的信道。相反，有幾個接收器;每個調(diào)諧到一個狹窄和特定的樂隊可以同時運作。這允許接收站使用尖銳陷波型濾波來嚴(yán)重區(qū)分噪聲和干擾，從而提高整體可靠性。

更多功能

雖然單晶體管和分立設(shè)計似乎是最小的解決方案，但有些芯片可以與這些小尺寸相媲美，同時提供額外的功能和功能。以Silicon Labs的純FM SoC為例; SI4713-B30-GM或SI4710-B30-GM適用于76 MHz至108 MHz頻段。采用20引腳QFN封裝，占位面積僅為3 mm x 3 mm，只需兩個外部元件即可實現(xiàn)整個無線電發(fā)射器。兩者都使用數(shù)字音頻輸入和串行控制，因此需要一個小微處理器來提供數(shù)據(jù)（參見TechZone文章“At Your Disposal：Throwaway Micros”）。

更先進(jìn)的發(fā)射器解決方案帶來的其他好處。首先，數(shù)據(jù)可以立體聲模式傳輸。這可以提供兩個單獨的通道，或者允許靈活地實現(xiàn)時鐘傳輸方案。注意，這些工作在標(biāo)準(zhǔn)表無線電76 MHz至108 MHz模式下工作，并且功率限制為10微瓦，但對于短距離，視距設(shè)計和可互操作的設(shè)計非常有效。

為了節(jié)省時間和測試可行性，模塊化解決方案可以成為工程師的最佳選擇。您可以簡單地獲得經(jīng)過全面測試，表征和認(rèn)證（通常用于國際標(biāo)準(zhǔn)）的OEM模塊，而不是旋轉(zhuǎn)您自己的設(shè)計，然后對其進(jìn)行表征和認(rèn)證。

這對于ISM-特別有用頻帶調(diào)頻發(fā)射機，因為制造商在特定國家的區(qū)域需求和版本方面是最新的。例如，考慮RF解決方案QFM-TX1-433通用FM發(fā)射器模塊，采用非常方便的6引腳表面貼裝形狀因子（圖3）。

圖3：模塊允許為不同的國家和地區(qū)編程相同的形狀因子。這使您可以制作一個可在所有國家/地區(qū)使用的主板。

它在ISM頻段的未許可部分以433 MHz運行，這將在跳頻時允許更高的功率電平。這導(dǎo)致更遠(yuǎn)的視線范圍，但仍然具有良好的墻壁和物體的穿透性。使用2.2至3.5 V的CMOS/TTL邏輯信號可傳輸高達(dá)4800波特的數(shù)據(jù)速率，當(dāng)有效時電流通常為15 mA。

該部件較大的16.8 x 12.5 mm x 2.5 mm尺寸可以使其安裝在外部天線上，形成一個密封且堅固的單元。例如，這可以用于在無人駕駛車輛上遠(yuǎn)程發(fā)送用于電機定位的增量軸編碼器數(shù)據(jù)。

類似的315 MHz部分是RF解決方案FMRTFQ1-315（圖4）。請注意，支持更低的7 mA發(fā)送電流和9600波特數(shù)據(jù)速率。兩個RF解決方案部件都使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

圖4：從315 MHz到868 MHz可用，這些非常穩(wěn)定的FM發(fā)射器模塊沒有可調(diào)節(jié)組件，可傳輸長達(dá)250米。

FSK數(shù)字調(diào)制

雖然FM可以像音頻一樣連續(xù)可變模擬，但FSK數(shù)字調(diào)制可以使用高度調(diào)諧的濾波器來確保信號完整性。通過將發(fā)射振蕩器限制為非干擾頻率，優(yōu)化的濾波器表現(xiàn)良好并且區(qū)分音調(diào)。

可以在FSK以及GFSK，GMSK，MSK和OOK模式下運行的相當(dāng)高速（600 Kbits/sec）數(shù)據(jù)速率部分是RF解決方案RFM67W-868S2，它可以在微控制或獨立模式。

在獨立模式下，下載無線電參數(shù)，并使用外部串行EEPROM進(jìn)行配置。這可以允許更低的成本和更小的尺寸。將串行接口用作SPI型外設(shè)可以使其成為向現(xiàn)有有線解決方案添加無線連接時的理想解決方案。

新設(shè)計還可以受益于這些部件所遵循的歐洲，美國和日本標(biāo)準(zhǔn)配置和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，高輸出功率（17 dBm）可以簡化放大器和天線的需求。支持的頻段為315 MHz，433 MHz，868 MHz和915 MHz。

下一步：添加一個微觀

正如我們所看到的，許多解決方案都需要一個微型機器來進(jìn)行調(diào)用。低成本的一次性無線電需要傳輸數(shù)據(jù)。雖然與發(fā)射器的串行接口有助于保持較小的尺寸，但將微型發(fā)射器放在與發(fā)射器相同的芯片上可以實現(xiàn)更小，更可靠的解決方案。

在本系列的第3部分中，我們將介紹在同一芯片或同一封裝內(nèi)嵌入專用微控制器的單芯片發(fā)送器。這可以使我們的一次性無線電更加強大，并且可以增加諸如更高的允許功率水平，跳頻和擴頻技術(shù)，數(shù)據(jù)加密和同步操作等優(yōu)點。