基于 Sub-1 GHz 歐洲智能電網(wǎng)的 RF 通信 - 第 2 部分

這個(gè)博客系列的第1部分回顧了歐洲868MHz ISM波段內(nèi)的wM-Bus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。今天，我們來(lái)仔細(xì)地看一看針對(duì)169.400MHz波段內(nèi)75kHz窄帶進(jìn)行優(yōu)化的協(xié)議版本。這個(gè)版本在針對(duì)監(jiān)測(cè)、追蹤、數(shù)據(jù)采集和儀表讀數(shù)應(yīng)用的歐洲規(guī)范 (EN) EN300 220 v.2.4.1標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)進(jìn)行了定義。+500mW（或+27dBm）的最大輻射功率和小于10%的占空比可實(shí)現(xiàn)一個(gè)廣域網(wǎng) (WAN) 方法，在人口密集環(huán)境中可以覆蓋數(shù)公里的范圍。這個(gè)方法的設(shè)計(jì)思路是將盡可能少的，但是又高精密數(shù)據(jù)采集器 (DC) 元件組合在一起，在不需要中繼器的情況下，每個(gè)元件能夠支持多達(dá)1000終端節(jié)點(diǎn)（或智能儀表）。通過(guò)將總共75kHz的可用帶寬分為6個(gè)12.5kHz的窄帶通道，EN13757-4:2014-2定義了wM-Bus N模式 Nabcdef和Ng。其中的4個(gè)通道 (Nabef) 能夠承載4.8kbps的數(shù)據(jù)速率，而另外2個(gè)通道 (Ncd) 數(shù)據(jù)速率為2.4kbps，支持2-GFSK調(diào)制。還定義了更高的數(shù)據(jù)速率通道 (Ng)，采用4-GFSK調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)19.2kbps的數(shù)據(jù)速率，并且占用一個(gè)帶寬為50kHz的通道（請(qǐng)見(jiàn)圖1）。

圖1.wM-Bus模式N模式與ETSI 300 220 v2.4.1之間的關(guān)系

這個(gè)wM-Bus N模式已經(jīng)被采用為意大利和法國(guó)住宅內(nèi)燃?xì)獗恚约胺▏?guó)水表的RF通信協(xié)議。在N模式中，最高可能的接收器等級(jí) (Hr) 應(yīng)該符合ETSI 2類接收器阻斷要求。實(shí)際上，由于已知的數(shù)據(jù)視頻廣播 (DVB) 或FM收音機(jī)發(fā)射器等干擾源的確是以其它頻率運(yùn)行，不過(guò)它們高達(dá)數(shù)千瓦的RF功率仍然會(huì)導(dǎo)致某些干擾，即使在169MHz ISM波段內(nèi)也是如此，所以，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，比較明智的做法是以更加具有挑戰(zhàn)性的ETSI 1類規(guī)范接收器系統(tǒng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

那么，ETSI 1類規(guī)范到底是什么呢？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，它是EN300 200 v2.4.1項(xiàng)下，針對(duì)“高可靠性SRD通信介質(zhì)；比如說(shuō)為人類生活固有系統(tǒng)提供服務(wù)（有可能造成身體傷害）”的最嚴(yán)格RF接收器技術(shù)規(guī)格。

1類規(guī)范中，一個(gè)最有挑戰(zhàn)性的要求就是臨近通道抑制/選擇性。這個(gè)技術(shù)參數(shù)測(cè)量的是接收器對(duì)于距離只有+-12.5kHz遠(yuǎn)的干擾源的耐受程度。由于這個(gè)干擾源距離所需信號(hào)太近，所有無(wú)法用外部SAW濾波器進(jìn)行濾除。另外一個(gè)須符合的非常具有挑戰(zhàn)性的條件是雜散響應(yīng)抑制，在達(dá)到RF頻率的0.1%時(shí)，需要為60dB。在頻率為169MHz時(shí)，這個(gè)值只有169kHz，所以IF頻率高于85kHz的RF收發(fā)器將獲得高于169kHz的圖像頻率，并且必須具有60dB以上的抑制能力。

TI的高性能Sub-1 GHz CC1120 RF收發(fā)器系列正在符合和超過(guò)N模式wM-Bus標(biāo)準(zhǔn) (EN13757-4) 的所有要求，其中包括意大利和法國(guó)燃?xì)獗砑夹g(shù)規(guī)格的全部RF要求。此收發(fā)器能夠完全接收所有包含16位報(bào)頭的N模式報(bào)文（其中包括4-GFSK子模式），而由于它的波形匹配 (WaveMatch) 特性，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失。極快自動(dòng)增益控制穩(wěn)定僅需4個(gè)數(shù)據(jù)位；如果與RX嗅探 (Sniff) 模式一同使用，它保持最大的CC1120靈敏度，并且在搜索報(bào)頭的同時(shí)，如TIDC-WMBUS-169MHz 中所示，減少了平均電流。通過(guò)采用一個(gè)CC1120寄存器設(shè)置的經(jīng)優(yōu)化集合，被稱為“最佳阻斷”，在無(wú)需增加昂貴的外部表面聲波 (SAW) 濾波器或LNA組件的情況下，即可實(shí)現(xiàn)ETSI 1類接收器系統(tǒng)性能。CC1120 RF接收器是業(yè)內(nèi)第一款集成收發(fā)器，它可以在無(wú)需外部SAW濾波器的情況下實(shí)現(xiàn)ETSI 1類兼容性，并且在RF性能和穩(wěn)健耐用性方面處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。你可以在TI Designs參考設(shè)計(jì)TIDC-WMBUS-169MHz和TIDC-MULTIBAND-WMBUS中找到更多關(guān)于CC1120的技術(shù)信息。只需幾個(gè)寄存器變化就可以將CC1120調(diào)節(jié)到“最佳靈敏度”或“最佳阻斷”。這一功能可實(shí)現(xiàn)靈活的wM-Bus N模式解決方案，可在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)適應(yīng)不斷變化的RF干擾。

除了RF子系統(tǒng)本身，TI還引入了針對(duì)長(zhǎng)電池使用壽命應(yīng)用參考設(shè)計(jì)的能量緩沖(PMP9753)等創(chuàng)新型電池管理解決方案，這免除了對(duì)于昂貴的混合層電容器 (HLC) 組件的需要，并且可以使用不同供貨商的多種電池類型。

將電池管理、N模式兼容RF系統(tǒng)與一個(gè)完整的CIG兼容wM-Bus堆棧組合在一起（這個(gè)堆棧在意大利使用，并且用于高級(jí)超低功耗度量衡設(shè)備（請(qǐng)見(jiàn)用于旋轉(zhuǎn)感測(cè)或超聲波TIDM-ULTRASONIC-FLOW-TDC的EVM430-FR6989）），TI正在提供多重優(yōu)化平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)支持169MHz RF通信的智能流量計(jì)。

本系列的下一篇博客會(huì)談到如何用全新超低功耗無(wú)線微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)下一代針對(duì)868和433MHz應(yīng)用的單芯片wM-Bus解決方案；別走開(kāi)，請(qǐng)隨時(shí)關(guān)注即將發(fā)布的On the Grid上的帖子。