射頻（RF）組件的尺寸，重量，功率和成本的降低在滿足行業(yè)要求方面變得越來(lái)越重要。特別是遙測(cè)，數(shù)據(jù)采集，環(huán)境傳感器，野生動(dòng)物傳感器以及其他遠(yuǎn)程或無(wú)人應(yīng)用需要使用一開(kāi)始設(shè)計(jì)的無(wú)線電一次性或短時(shí)間的小型，低功耗和低成本的僅發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路 - 使用。更重要的是，這些短壽命系統(tǒng)通常放置在最?lèi)毫拥沫h(huán)境中，這些環(huán)境受到熱，冷，沖擊，振動(dòng)甚至ESD，EMI，RFI和太陽(yáng)耀斑的影響。

設(shè)計(jì)這些鏈接的方式與具有相當(dāng)精心設(shè)計(jì)的生命周期的典型產(chǎn)品不同。可靠性，巧妙的低功耗技術(shù)和小型化通常是必不可少的元素。在某些應(yīng)用中，將使用和部署數(shù)百或數(shù)千個(gè)這些專(zhuān)用鏈路，因此成本也是一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。

本文著眼于與一次性發(fā)射機(jī)無(wú)線電設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題。檢查協(xié)議，調(diào)制，發(fā)射功率電平和操作的選擇，以及對(duì)這些類(lèi)型的設(shè)計(jì)有用的一些部件和技術(shù)。在這個(gè)由3部分組成的系列文章的第1部分中，我們將介紹低成本的AM和OOK技術(shù)，這些技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但仍然使用低功耗，窄帶提供可靠的操作，用于單向，僅傳輸功能。在第2部分中，我們將研究相應(yīng)的FM和PSK窄帶解決方案和部件。最后，在第3部分中，我們將研究將單片機(jī)與無(wú)線電一起嵌入以實(shí)現(xiàn)更高性能水平的單芯片無(wú)線電收發(fā)器。這里引用的所有部件，數(shù)據(jù)表，教程，開(kāi)發(fā)套件和培訓(xùn)都可以在Digi-Key網(wǎng)站上找到。

單向通信

數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要： 1）記錄并存儲(chǔ)累積的數(shù)據(jù)，以便以后上傳; 2）在指定的時(shí)間片處立即報(bào)告，或3）在事件發(fā)生時(shí)報(bào)告。 （有時(shí)它們必須滿足這些要求中的一個(gè)以上。）例如，用于天氣監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)單環(huán)境傳感器可以很容易地連接到氣球以收集在采集時(shí)發(fā)送的即時(shí)數(shù)據(jù)。否則，必須恢復(fù)每個(gè)氣象氣球以收集其數(shù)據(jù)。

作為另一個(gè)例子，考慮一只鳥(niǎo)的手鐲，記錄可用于學(xué)習(xí)遷移模式的GPS坐標(biāo)。除非您一直跟蹤鳥(niǎo)類(lèi)，否則記錄定時(shí)或觸發(fā)發(fā)送的數(shù)據(jù)是收集信息的最節(jié)能和最可靠的方法。

如果同時(shí)部署多個(gè)單元，則可以分配基于實(shí)時(shí)的時(shí)隙。低功耗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘在溫度和時(shí)間上非常可靠，低功耗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的報(bào)警功能可以允許僅發(fā)送電路喚醒并在重復(fù)或一次性時(shí)提供其有效負(fù)載基礎(chǔ)。

所有這一切都假設(shè)接收器距離足夠近以便可靠地收集數(shù)據(jù)。相反，這意味著發(fā)射鏈路必須具有足夠的信號(hào)強(qiáng)度以切斷任何范圍和/或環(huán)境問(wèn)題。否則，這種成本最低的僅傳輸數(shù)據(jù)鏈路將無(wú)法提供必要的數(shù)據(jù)。

無(wú)線電的類(lèi)型和調(diào)制的選擇對(duì)于一次性無(wú)線電來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。大多數(shù)部署將部署的大多數(shù)應(yīng)用程序都是成本敏感的，需要很小。這是簡(jiǎn)單有用的地方。

簡(jiǎn)單的AM或FM發(fā)射器成本最低，在第1部分中我們將重點(diǎn)介紹AM解決方案。單晶體管級(jí)可用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的載波/載波關(guān)閉或FSK類(lèi)型的調(diào)制器（圖1）。使用標(biāo)準(zhǔn)的通用部件可以輕松獲得多種公共領(lǐng)域設(shè)計(jì)。雖然限制在大約10μW的輸出功率（在未許可頻段），但這些可以傳輸相當(dāng)干凈的信號(hào)，用于近距離（100碼左右）的數(shù)據(jù)采集。

圖1：幾種優(yōu)質(zhì)，低成本的單晶體管AM發(fā)射器設(shè)計(jì)屬于公共領(lǐng)域，旨在使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成產(chǎn)品部分。顯示了兩個(gè)例子。

AM調(diào)制是最簡(jiǎn)單的，只需在數(shù)據(jù)處于邏輯1時(shí)打開(kāi)發(fā)送器即可。載波不必始終保持通信。這種簡(jiǎn)單的載波/載波關(guān)閉技術(shù)可與AM，F(xiàn)M或邊帶一起使用。這也稱為開(kāi)/關(guān)鍵控（OOK）。

雖然單晶體管設(shè)計(jì)非常小且便宜，但集成無(wú)線電芯片也是一種選擇。微型Micrel MICRF113YM6 TR SOT-6針發(fā)射器是先進(jìn)AM無(wú)線電發(fā)射器芯片的一個(gè)例子（圖2）。在內(nèi)部，這部分包含一個(gè)完整的“數(shù)據(jù)輸入/天線輸出”僅傳輸鏈路。基于ASK調(diào)制，該公司QwikRadio發(fā)射器系列的成員專(zhuān)注于300至450 MHz UHF免許可頻段和技術(shù)，以支持高達(dá)20 Kbits/sec的數(shù)據(jù)速率。

圖2：集成的僅發(fā)送AM芯片可以使用極少的外部組件提供小型，低成本和可靠的鏈路。

在1.8到3.6 V的電壓下，邏輯電平信號(hào)可以簡(jiǎn)單地打開(kāi)和關(guān)閉載波。它還能夠在-40到+ 85°C的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，適用于大多數(shù)野生動(dòng)物或遙測(cè)發(fā)射器，如氣象氣球，海洋傳感器或其他有限范圍的視距數(shù)據(jù)鏈路。

相應(yīng)的Qwikradio接收器，如小型SOIC-8引腳MICRF007YM，完成數(shù)據(jù)鏈接。使用傳統(tǒng)的超外差窄帶接收器，它使用外部晶振或參考時(shí)鐘作為其內(nèi)部本地振蕩器，可以輕松選擇中心頻率。有關(guān)這些部件的產(chǎn)品信息頁(yè)面（使用提供的鏈接）提供了幾個(gè)建議的配對(duì)晶體鏈接。

MICRF007YM提供所有檢測(cè)后（解調(diào)器）數(shù)據(jù)濾波，因此無(wú)需外部基帶濾波器。解調(diào)器濾波器帶寬固定為2.5 kHz。使用NRZ波形可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.2 kbps的數(shù)據(jù)速率。其他幾個(gè)家庭成員支持高達(dá)1 GHz的頻率。

另一個(gè)有趣的部分來(lái)自Maxim，它還提供小型ASK型RF發(fā)射器設(shè)備，如MAX7044AKA + T，以支持300-450 MHz-UHF頻段。這里的一個(gè)很好的功能是單輸入數(shù)據(jù)接口，使用1/16晶體頻率的緩沖時(shí)鐘輸出信號(hào)。這實(shí)際上允許任何微控制器實(shí)現(xiàn)基本的跳碼序列器。這有助于在低成本，簡(jiǎn)單的RF發(fā)送鏈路上實(shí)現(xiàn)互操作性或抗噪性。

Maxim還提供了針對(duì)短距離UHF ASK調(diào)制發(fā)射機(jī)的FCC和ETSI要求的應(yīng)用筆記。還有一個(gè)用于低成本ISM頻段發(fā)射機(jī)的功率放大器應(yīng)用筆記。

其他選擇

其他幾家供應(yīng)商也制作精心設(shè)計(jì)的AM-和OOK型低成本傳輸部件，占地面積小。少數(shù)人專(zhuān)注于ISM頻段的特定頻率。例如，用于418 MHz的8針表面貼裝Linx Technologies TXM-418-LC和用于433 MHz的Linx TXM-433-LR。兩者都是ASK，OOK AM發(fā)射器，可在不同的天線負(fù)載條件下提供穩(wěn)定的性能。與413 MHz LC部件的5 Kbits/sec相比，433 MHz LR部件的數(shù)據(jù)速率最大為10 Kb/sec。 Linx Technologies的5 Kbit/sec TXM-315-LC 315 MHz器件也可提供。

每個(gè)實(shí)現(xiàn)上的固定頻段允許在不僅僅一個(gè)設(shè)備附近的一些互操作性。即使在不同頻率下同時(shí)操作不同單元也可以使這種方法成為可取的。接收器只是調(diào)諧“站”以訪問(wèn)數(shù)據(jù)流。

雖然這種方法不如更昂貴和更先進(jìn)的擴(kuò)頻技術(shù)那么有效，但并非所有設(shè)計(jì)都需要這種復(fù)雜程度。事實(shí)上，現(xiàn)代Wi-Fi，藍(lán)牙，ZigBee等的更高成本，尺寸和復(fù)雜性使得數(shù)字無(wú)線電芯片成為許多這些一次性設(shè)計(jì)的不良選擇。

STMicroelectronics的STS1TXQTR是一款速度相當(dāng)快的500 Kbit/sec數(shù)據(jù)速率調(diào)制器，僅供傳輸使用。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的部分，在更大的20引腳QFN封裝中具有許多高級(jí)功能（圖3）。

ST部分的一個(gè)特別好的特性是具有動(dòng)態(tài)有效載荷的靈活分組長(zhǎng)度。這不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)發(fā)射器。該部件是一個(gè)實(shí)際的RF發(fā)射器外圍設(shè)備，包括GPIO，F(xiàn)IFO，無(wú)線電控制，頻率合成等。

圖3：先進(jìn)的僅發(fā)送芯片可以提供相當(dāng)好的數(shù)據(jù)速率，高級(jí)功能和低功耗模式，但可能會(huì)占用更多空間。

在未經(jīng)許可的UHF頻段內(nèi)，有幾個(gè)子頻段可供這些部分專(zhuān)門(mén)支持。這些是150-174MHz，300-348MHz，387-470MHz和779-956MHz。這使得可以非常容易地將多個(gè)設(shè)備分區(qū)以同時(shí)或同時(shí)操作，只要存在相應(yīng)的接收器即可。結(jié)果，可以支持由外部MCU管理的跳頻。請(qǐng)注意，這是比現(xiàn)代復(fù)雜的擴(kuò)頻無(wú)線電提供更慢的速率跳，但它仍然非常有用。

STMicroelectronics STS1TXQTR比我們所看到的6引腳和8引腳部件更大到目前為止，它帶來(lái)了更高級(jí)別的功能，包括支持128位AES加密。它還支持FM和高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制，它帶來(lái)了我們將在本系列的第2部分中討論的其他好處，其中我們將討論用于FM和PSK的一次性發(fā)射器。

總之

從監(jiān)測(cè)鳥(niǎo)類(lèi)遷移模式到從衛(wèi)星發(fā)送科學(xué)數(shù)據(jù)，使用了許多類(lèi)型的單向RF鏈路，這些應(yīng)用通常需要一次性無(wú)線電。正如本文所討論的那樣，設(shè)計(jì)工程師在這里有很多選擇，可以使用各種技術(shù)，部件性能和功能。每種需求都是不同的，因此應(yīng)該針對(duì)每種設(shè)計(jì)仔細(xì)考慮基于尺寸，功率和成本限制的選項(xiàng)。