Moduły Front End firmy Skyworks rozwiązują wyzwania projektowe aplikacji LoRa

Podstawy LoRa i LoRaWAN®

LoRa, skrót od dalekiego zasięgu niskiej mocy rozległej sieci (LPWAN) działającej w nielicencjonowanych pasmach ISM, która szybko zyskuje na popularności a aplikacjach w internetu rzeczy (IoT). Wdrożone urządzenia w sieciach LoRaWAN działają zgodnie ze specyfikacją protokołu LoRaWAN jako zdefiniowany przez LoRa Alliance®, sojusz technologiczny liczący ponad 500 członków. Oczekuje się, że urządzenia IoT oparte na technologii LoRaWAN zyskają znacznie na w ciągu najbliższych pięciu lat. Według ABI Research, nielicencjonowana liczba połączeń LPWAN wzrośnie z 305 mln w 2021 r do 844 mln do 2026 r., co daje łączną roczną stopę wzrostu na poziomie 23%.

Wykorzystując zastrzeżoną technikę modulacji widma rozproszonego opartą na chirp, i działając głównie w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości poniżej 1 GHz (Rysunek 1) LoRa umożliwia urządzeniom brzegowym łączenie się z chmurą z dużymi zasięgami przy bardzo małym zużyciu energii. Zmniejsza to koszty i pobór mocy przez urządzenia podłączone do chmury w ramach sieci LoRaWAN i służy jako uzupełniająca technologia łączności bezprzewodowej do sieci komórkowej, Wi-Fi i Bluetooth.

Aplikacje LoRa

LoRa oferuje optymalne rozwiązanie łączności dla aplikacji takich jak inteligentne pomiary, automatyka przemysłowa, sieci czujników i aktywa trackery, w których transmisje zachodzą szybko i tylko wtedy, gdy jest to konieczne. W przypadku transmisji o małej mocy i dalekiego zasięgu jest to technologia, która może zrównoważyć szybkość transmisji danych, zasięg, pojemność i zużycie energii. Systemy wymagające dwukierunkowej transmisji danych o wąskim paśmie komunikacja są głównym kandydatem do użycia łączności LoRa, szczególnie te, które muszą pozostać połączone przez ściany lub na całej posesji.

Na przykład znaczniki śledzenia zasobów oparte na LoRa mogą być używane ze względów bezpieczeństwa w systemach monitorujących lokalizację i ruch produktów lub osób, lub dla bezprzewodowych sieci czujników zasilanych bateryjnie, takich jak te wdrożone na mostach do pomiaru integralności strukturalnej.

Wyzwania związane z opracowaniem produktu LoRa

Projektanci urządzeń końcowych opartych na LoRa stają przed kilkoma wyzwaniami związanymi z wydaniem produktu na rynek, w którym sprzęt, oprogramowanie i łączność z chmurą muszą bezproblemowo integrować się i działać.

Jednym z tych wyzwań jest zaprojektowanie produktu obsługującego różne poziomy mocy w zależności od regionu geograficznego i końcowego zastosowania. Ponieważ LoRa wykorzystuje techniki modulacji widma rozproszonego, można zaprojektować urządzenia końcowe transmitujące do maksymalnych dozwolonych poziomów dla każdego konkretnego regionu.

Na przykład w Ameryce Północnej maksymalna dozwolona moc transmisji dla radiotelefonów rozproszonych wynosi +30 dBm (1W), podczas gdy w Europie to wynosi +27 dBm (0,5 W).

Transceivery LoRa ze zintegrowanym wzmacniaczem mocy (PA) może wydajnie przesyłać, w niektórych przypadkach, do +22 dBm z 3,7V baterii. Jednak w przypadku zanikającego lub zmniejszonego napięcia akumulatora maksymalna moc, którą można przesłać, znacznie spada.

Transceivery te zapewniają również opcję użycia wewnętrznego regulatora napięcia w celu zmaksymalizowania sprawności i utrzymania stałej wydajności mocy. Jednak użycie wewnętrznego regulatora napięcia nie rozwiązuje problemu dostarczania większej mocy przy niższych napięciach baterii. Dodatkowo dochodzi probelm zwiększonego rozmiaru aplikacji i kosztu BoM, jako że regulator napięcia wymaga do działania użycia dużej zewnętrznej cewki ~ 15 μH.

Kolejnym krytycznym wyzwaniem jest spełnienie wymogów prawnych (tj. FCC, CE) na niepożądane emisje. Zgodność wymaga dodania skomplikowanego filtrowanie harmonicznych i dopasowywania sieci między transiwerem a przełącznikiem anteny. Dla projektantów produktów z ograniczonym doświadczeniem w projektowaniu RF, może to skutkować wieloma iteracjami projektowymi, które opóźniają czas wprowadzenia produktu na rynek.

Pytanie, które musi zadać sobie każdy projektant produktu, brzmi: czy możliwe jest zaprojektowanie produktu LoRa, który działa w różnych krajach z różnymi przepisami dotyczącymi wymagań emisji przy jednoczesnym zachowaniu wielkości produktu i zużycia energii? Użycie samodzielnego transceivera LoRa jest wysoce nieoptymalne, biorąc pod uwagę opisane znaczące wyzwania.

Ulepszanie radiotelefonów LoRa

Między transiwerem a urządzeniem można zastosować moduł Front End (FEM), aby skutecznie zoptymalizować zarówno zasięg nadawania, jak i czułość odbioru. FEM integruje wzmocnienie mocy nadawania, odbiór niskie wzmocnienie szumów, przełączanie anteny między transmisją a ścieżką odbioru oraz wymagane dopasowywanie i filtrowanie.

Dostępne na rynku transceivery LoRa są zwykle zaprojektowane w technologii procesowej CMOS. Chociaż proces ten sprawdza się dobrze w przypadku bloków cyfrowych, to nie jest optymalnym procesem, szczególnie dla wzmacniaczy mocy dla wydajnego dostarczania poziomów mocy rutynowo używanych w większości aplikacji LoRa.

Dla porównania, wysoce zintegrowane moduły front-end mogą wykorzystywać wiel technologii przetwarzania układów scalonych, w tym arsenek galu (GaAs), german krzemowy (SiGe) lub krzem na izolatorze (SOI), wykorzystując optymalną technologię procesu dla każdego bloku funkcjonalnego.

Poprzez integrację wielu matryc z optymalną technologią procesową i pasywną komponentów w jednym pakiecie, FEM można zaprojektować jako agnostyczny SoC, stosować różne architektury, oraz konfiguracje poziomów mocy wyjściowej i wzmocnienia uwzględniające różne przypadki użycia aplikacji.

Moduły Front End firmy Skyworks dla aplikacji LoRa

Jako lider w rozwiązaniach łączności bezprzewodowej dla IoT, Skyworks opracował rodzinę FEM dla rosnącego rynku LoRa. Układ SKY6642x (Rysunek 4) składa się z czterech części kompatybilnych stykami, oferujących kompromis w wydajności RF i architekturze funkcjonalnej, do użytku z komercyjnie dostępnymi platformami nadawczo-odbiorczymi LoRa. Układy te określone są jako zgodne harmonicznie przy maksymalnej mocy i powyżej pełnego zakresu częstotliwości roboczej - uproszczając rozwój produktu końcowego, minimalizując koszty i wysiłek projektowy.

W przypadku projektów takich jak bramki LoRa obsługujące zarówno +14 dBm, jak i +27 dBm, model SKY66420 może być używany w trybie aktywnym lub trybie obejścia, przy użyciu wewnętrznego wzmacniacza mocy zintegrowanego z SoC lub bez FEM, wymagając minimalnych zmian w oprogramowaniu.

Ponieważ urządzenia IoT stają się coraz bardziej połączone poprzez niskiego poboru mocy technologie rozległych sieci, takie jak LoRa, Skyworks oferuje wyjątkowe rozwiązania komunikacyjne, które umożliwiają tym urządzeniom lepsze działanie, oszczędność moc i bezproblemowe skalowanie w różnych lokalizacjach. FEM Skyworks pomagają producentom urządzeń LoRa pokonać wyzwania projektowe i szybciej wejdą na rynek i będą ewoluować jako nowe aplikacje pojawiają się dziś i w przyszłość.