Een inleiding voor RF-ontwerp

In dit artikel verkent Mark Patrick van Mouser Electronics de basisprincipes van draadloze communicatie, gaat hij dieper in op enkele basisconcepten en legt hij enkele essentiële termen en terminologie uit.

Draadloze communicatie is alomtegenwoordig en is een essentieel aspect van vrijwel elke technologie waar we dagelijks mee omgaan: thuis, op het werk of in de auto. Het ontwerp van radiofrequentie (RF) en draadloos ontwerp worden binnen de elektronica-industrie beschouwd als specialistische vaardigheden, dus de terminologie en de cruciale principes zijn meestal alleen begrijpelijk voor de betrokkenen. Embedded ontwerpers en hardware-ontwikkelaars merken echter steeds vaker dat hun ontwikkelingstaken een basiskennis van RF-concepten vereisen.

Dit korte artikel introduceert enkele basisconcepten en terminologie met betrekking tot radiofrequentie en draadloos ontwerp. Elk thema verdient een meer diepgaande uitleg dan de ruimte hier toelaat, maar het bovenstaande zou moeten dienen als een goed startpunt voor verdere verkenning van dit fascinerende onderwerp. Hoewel RF-ontwerp voor de korte golf tegenwoordig weinig gebruikt wordt, helpt de context bij het verklaren van sommige principes die in dit artikel behandeld worden. De ontwerpers van draadloze communicatie richten zich tegenwoordig meestal op projecten boven de 100 MHz, met relatief korte afstanden. Dat gezegd hebbende, deep space- en satellietcommunicatie werken juist over uitzonderlijke grote afstanden. In sommige gevallen is er sprake van een hoog zendvermogen en richtantennes met ultrahoge versterking om aanzienlijke padverliezen te compenseren.

Draadloze communicatie is overal

Tegenwoordig beschouwen we always-on connectiviteit als vanzelfsprekend. Draadloze communicatie vormt de basis van al onze technologie, van Bluetooth headsets en smartphones tot mediatheken thuis en infotainment-systemen in auto’s. De lijst van draadloze toepassingen is eindeloos, en de innovaties in het ontwerp van draadloze transceivers met ultralaag vermogen leiden tot nog meer potentiële gebruiksgevallen.

De afgelopen twee decennia is het gebruik van draadloze connectiviteit aanzienlijk toegenomen, te beginnen met wifi^® thuis aan het begin van de jaren 2000. Via Bluetooth verbonden randapparatuur voor computers kwam aanvankelijk traag op gang, maar het gebruik ervan voor headsets en hoofdtelefoons voor mobiele telefoons nam al snel toe. Kijk vandaag de dag eens rond in een willekeurig huis, kantoor of fabriek en je zult zien dat draadloze connectiviteit overal aanwezig is. Draadloze connectiviteit staat voor persoonlijke mobiliteit, maakt bekabelde verbindingen onnodig en ontwikkelt gemeenschappen.

Draadloze informatieoverdracht

Om volledig te begrijpen hoe draadloze communicatie werkt, moeten ontwerpers en technici rekening houden met een aantal fundamentele concepten. Ten eerste dat draadloze communicatie afhankelijk is van elektromagnetische golven, d.w.z. gesynchroniseerde oscillaties van elektrische en magnetische velden die zich door de ruimte voortplanten. Elektromagnetische golven werden voor het eerst voorspeld door de Schotse wetenschapper en wiskundige James Maxwell in 1865 toen hij onderzoek deed naar licht. Het spectrum van elektromagnetische straling is extreem breed, van langegolfradio en microgolven tot zichtbaar en ultraviolet licht. De term “golflengte”, gemeten in meters, beschrijft de afstand tussen de toppen of twee overeenkomstige punten van een elektromagnetische golf (Afbeelding 1), variërend van tientallen kilometers (bijvoorbeeld langegolfradio) tot tientallen nanometers (bijvoorbeeld infrarood). Om het geheel in context te plaatsen: zichtbaar licht dat door het menselijk oog kan worden waargenomen varieert van 380 tot 700 nanometer.

De vergelijkingen van Maxwell voorspelden de aanwezigheid van elektromagnetische velden, maar het was pas in 1879 dat de experimenten van Heinrich Hertz het bestaan ervan bevestigden. De frequentie van elektromagnetische golven wordt gemeten in cycli per seconde en wordt Hertz (Hz) genoemd ter ere van het werk van Heinrich. De golflengte is de reciproque waarde van de frequentie.

Bruikbare radiofrequenties beslaan een aanzienlijk deel van het elektromagnetische spectrum (Afbeelding 2), van 30 kHz (langegolfzenders) tot 300 GHz (millimeter-golflengtebanden voor telecommunicatie en toepassingen op het gebied van teledetectie in de ruimte).

Radiogolven verspreiden zich of planten zich voort vanaf een bron en worden net als licht beïnvloed door reflecties, verstrooiing en absorptie.De aard van de verspreiding varieert met de frequentie en is een essentieel aspect van radiocommunicatie. Door te begrijpen hoe de golven zich voortplanten en in welke richting kunnen ontwerpers de maximale afstand en betrouwbaarheid van de communicatie tussen twee punten bepalen.Radiogolven die tussen twee punten reizen, worden grond-, directe of oppervlaktegolven genoemd. De voortplanting van deze golven over relatief korte afstanden, zonder obstakels ertussen, gebeurt in de vorm van een zichtlijn. Radiogolven verspreiden zich ook in de ionosfeer, waardoor de potentiële afstand tussen een zender en een ontvanger groter wordt (Afbeelding 3).

De ionosfeer bestaat uit verschillende lagen: D, E, en F. Het vermogen van de lagen om radiogolven te weerkaatsen is afhankelijk van de ionisatie van de lagen door de zon, die voortdurend verandert met het moment van de dag en het seizoen. Kortegolf-radiogolven gebruiken deze vorm van voortplanting om lange afstanden te overbruggen, maar communicatie kan onderhevig zijn aan aanzienlijke fading (vervaging) en aan meervoudige reflecties. Iedereen die wel eens overdag of ‘s nachts kortegolfzenders of ‘s nachts naar middengolfzenders heeft geluisterd, is waarschijnlijk bekend met fading.

Een radiosignaal bestaat uit een sinusoïdale golf met een vaste frequentie, die draaggolf wordt genoemd. De draaggolf moet moduleren om geluid of digitale gegevensinformatie over te kunnen brengen. Er zijn veel verschillende soorten modulaties in gebruik. Amplitudemodulatie (AM) en frequentiemodulatie (FM) zijn populaire methoden voor commerciële uitzendingen en worden al sinds begin 1900 toegepast. Zoals valt te verwachten, verandert amplitudemodulatie de amplitude van het draaggolfsignaal, terwijl frequentiemodulatie een constante amplitude handhaaft waarbij de frequentie varieert al naargelang het inputgeluid. Afbeelding 4 toont de verschillen tussen AM en FM.De modulatie-input is een audiofrequentie met een constante amplitude. Het AM-spoor laat zien hoe de amplitude van het uitgezonden signaal varieert al naargelang het bronsignaal. Bij FM varieert daarentegen de draaggolffrequentie. Om het originele signaal uit de gemoduleerde draaggolf te halen wordt gebruikgemaakt van demodulatietechnieken.

Complexere modulatiemethoden gebruikt voor high speed datacommunicatie zijn onder andere:

●        BPSK (binary phase shift keying)

●        OFDM (orthogonal frequency division multiplex)

●        QAM (quadrature amplitude modulation)

Basisconcepten voor ontvanger

Afbeelding 5 toont het functionele blokdiagram van een eenfase middengolf superheterodyne (superhet) ontvanger. Deze wordt meestal gebruikt om middengolf en kortegolf AM-signalen te ontvangen. Een mixer en een lokale oscillator (LO) brengen het gewenste RF-signaal omlaag naar een middenfrequentie (intermediate frequency, IF). Door de LO te variëren is de IF-frequentie altijd hetzelfde, wat het ontwerp van de IF-versterker en filtertrappen vereenvoudigt. Traditioneel werden in veel kortegolfontvangers dubbele mixer/IF-fases gebruikt met IF-frequenties van 10,7 MHz en 455 kHz.

Een directe omzetting of nul IF benadering (de LO is ingesteld op de gewenste ontvangstfrequentie) heeft nu echter aan populariteit gewonnen, waarbij het basisbandsignaal direct uit de mixer komt, klaar voor demodulatie.

De fases voor demodulatie en signaalverwerking van een ontvanger maken steeds meer gebruik van softwarematige digitale verwerkingstechnieken. Softwaregedefinieerde radio (SDR) is de norm geworden voor veel complexe draadloze toepassingen, zoals cellulaire basisstations, kleine cellen en beveiligde draadloze communicatiesystemen.

De decibel-milliwatt (dBm) is bij elk RF-signaal een populaire maateenheid voor de relatieve signaalsterkte of het vermogen. Een dBm is een maateenheid ten opzichte van 1 mW. Zoals in elke decibelmeting kan het ook de winst of het verlies van een versterker of filtertrap aangeven. Een dBm-meting voor een ontvanger wordt meestal aangegeven als de gevoeligheid van de ontvanger, d.w.z. de minimale signaalsterkte die het apparaat kan ontvangen. Een wifi-module heeft bijvoorbeeld een signaal van -70 dBm nodig om betrouwbaar te werken. Professionele kortegolfontvangers kunnen een signaal zo zwak als -100 dBm waarnemen. Ontvangers voor satellietnavigatie zijn nog gevoeliger en werken meestal met signaalsterktes zo laag als -150 dBm.

De dBm wordt ook gebruikt om de versterking van een antenne aan te geven. Dit is een essentieel aspect bij het bepalen van de totale link budget (vermogenswinsten en -verliezen van het signaal) van een draadloze communicatie-installatie. We komen hier later in dit artikel op terug.

Concepten voor zenders en antennes

Antennes zijn er in alle soorten en maten. Over het algemeen is de lengte van een antenne evenredig met de gebruikte golflengte en meestal betreft het een halvegolf- of een kwartgolf-dipool. De afstand voor zeer lage frequenties bedraagt enkele kilometers. Daartegenover staat dat een halvegolf-antenne voor ultrahoge frequentietoepassingen, zoals wifi die op 2,4 GHz werkt, slechts 30 mm is. Om ze nog compacter te maken, hebben ontwerpers van antennes een aantal creatieve vormen ontwikkeld die de antenne in essentie opvouwen, waardoor deze geschikt wordt voor PCB-fabricage of in een flexibel circuit. Afbeelding 6 toont een voorbeeld van een flexibele dipoolantenne voor cellulaire toepassingen van Linx Technologies.

De impedantie van een antenne moet overeenkomen met die van de output van de vermogensversterker van de zender om een optimale energieoverdracht te waarborgen. De universeel geaccepteerde waarde voor antennes, coaxkabels en eindtrappen van zenders is een impedantie van 50 ohm. Als de impedantie niet goed is afgestemd, wordt energie teruggekaatst naar de vermogensversterker (power amplifier, PA) van de zender Dit kan schade veroorzaken als de energie te hoog is. De staande-golfverhouding van de spanning (voltage standing wave ratio, VSWR) geeft aan hoeveel vermogen naar de zender wordt gereflecteerd in plaats van uitgestraald. Afbeelding 7 toont de VSWR-karakteristieken van de ANT-LPF-FPC-50 flexibele antenne van Linx Technologies. Een VSWR-verhouding van 1:1 geeft aan dat er geen gereflecteerd vermogen is. In de praktijk is een VSWR van 1:3 voldoende voor de meeste toepassingen.

Een andere manier om naar de impedantie-mismatch van een antenne te kijken is door middel van een retourverlies gemeten in dB. Afbeelding 8 toont de karakteristieken voor het retourverlies van de ANT-LPC-FPC-50 antenne. Een lager retourverlies wijst op minder vermogensverlies als gevolg van impedantie-mismatch.

Twee andere essentiële eigenschappen van antennes zijn versterking en stralingspatroon. De versterking heeft betrekking op een theoretische verliesloze isotrope antenne (straalt als een bol gelijkmatig in alle richtingen) en wordt uitgedrukt in dBi. Sommige antennes stralen meer vermogen uit in specifieke richtingen (d.w.z. polarisatie), dus inzicht in het stralingspatroon (Afbeelding 9) zal ontwerpers helpen om de beste installatieplaats te kiezen voor verschillende gebruiksgevallen. Stralingspatronen voor een antenne worden normaal gesproken geleverd als polaire diagrammen voor elk vlak.

Een betrouwbare draadloze verbinding tot stand brengen

Om te bepalen of een draadloze verbinding over een specifieke afstand haalbaar is, moet je de link budget berekenen. Een van de belangrijke factoren bij het berekenen van de link budget is het free path loss (padverlies in de ruimte). Wanneer een signaal wordt uitgestraald, vermindert de geometrische spreiding van het golffront de vermogensdichtheid. De berekening van het padverlies in de vrije ruimte bepaalt hoeveel vermogen wordt ontvangen op een ver verwijderd punt. De formule gaat uit van een zichtlijnafstand tussen zender en receiver:

Barrières zoals een geaccidenteerd landschap, gebouwen en bomen verhogen het padverlies. Veel fabrikanten van antennes en draadloze apparaten bieden op hun websites de mogelijkheid om het padverlies te berekenen voor de vrije ruimte.

Afbeelding 10 toont alle factoren tussen een zender en een ontvanger. In dit voorbeeld heeft de zender (Tx) een uitgangsvermogen van +20 dBm en is aangesloten op een antenne met een versterking van +10dBi. Hierbij is rekening gehouden met een verlies in de coaxkabel van -2 dBm. Aan de ontvangende kant (Rx) levert een krachtige antenne een versterking van +14 dBi met kabelverliezen van -2 dBm inbegrepen. De gevoeligheid van de ontvanger, afkomstig van een gegevensblad, is -82 dBm. In dit voorbeeld is het padverlies over een afstand van 5 km reeds berekend als -114 dBm. Is het ontvangen signaal voldoende om een verbinding te garanderen? Als je alle gemarkeerde cijfers bij elkaar optelt (d.w.z. de link budget), dan is het verwachte signaal -74 dBm, wat resulteert in een marge van 8 dBm in ontvangergevoeligheid.

Naleving van regelgeving op het gebied van draadloze communicatie

Alle op radiofrequentie gebaseerde apparaten kunnen onderhevig zijn aan drie verschillende soorten naleving van regelgeving:

• Certificering van draadloze protocollen – Voor draadloze protocollen, zoals Bluetooth en wifi kan certificering vereist zijn. Modules en draadloze transceiver systemen-op-chips (SoC’s) worden gecertificeerd door de relevante organisaties (bijvoorbeeld de Wi-FI Alliance).
• Licentiëring van frequentiespectra – Zoals eerder vermeld werken sommige draadloze communicatiemethoden binnen een nationaal gelicentieerd spectrum (bijv. cellulair). Voor andere methoden, zoals Bluetooth, is geen licentie nodig.
• Goedkeuringen voor radiotypes – In sommige gevallen vereist een draadloze module of circuit de goedkeuring van een nationale of regionale regelgevende instantie voor radio’s. Het goedkeuringsproces zorgt ervoor dat de apparaten geen ongewenste elektromagnetische interferentie veroorzaken bij andere gebruikers en voldoen aan alle specificaties van uitgangsvermogen en interferentie in hetzelfde kanaal.