2,4-GHz-Funksysteme hoher Reichweite
Entwicklungssystem für HF-IC mit PA und LNA
Das nRF21540 Development Bundle von Nordic Semiconductor besteht aus einem Entwicklungs- und einem Evaluierungs-Kit. Entwickler können damit die Eigenschaften des Leistungsverstärkers (PA) und rauscharmen Verstärkers (LNA) im HF-IC nRF21540 austesten, um die Reichweite zu erhöhen.
Beim nRF21540 Development Bundle (DB) von Nordic Semiconductor handelt es sich um ein Set aus zwei Kits mit dem Entwickler 2,4-GHz-Funkanwendungen verifizieren und testen können, die eine höhere Reichweite und Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget) erfordern. Das nRF21540 DB umfasst das nRF21540 Development Kit (DK) und das nRF21540 Evaluation Kit (EK) auf Basis des HF-ICs nRF21540 (RF Front End Module) mit Leistungsverstärker (PA) für den Sendebetrieb und rauscharmen Verstärker (LNA) für den Empfangspfad.
Mit dem Funkverstärker-IC nRF21540 zielt Nordic Semiconductor auf Anwendungen ab, die eine erhöhte Reichweite im 2,4-GHz-Bereich erfordern. Als Beispiele hierfür werden Industrieautomatisierung, Beleuchtungsnetzwerke und andere Heimautomatisierung, Asset Tracking und die Audioübertragung per Funk genannt. Damit ergänzt Nordic seine Multiprotokoll-Funk-SoCs der Serien nRF52 und nRF53.
Durch den Einsatz des Verstärker-ICs nRF21540 lässt sich nicht nur die Reichweite der Funkübertragung erhöhen, sondern auch die Robustheit der Funkverbindung, indem der Verlust von Funkpaketen und damit der Bedarf an erneuten Übertragungen reduziert wird. Weniger verlorene Pakete führen zu einer geringeren Latenzzeit der Verbindung, und weniger erneute Übertragungen erhöhen den Durchsatz und reduzieren die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems. Der Funkverstärker-IC unterstützt auch Antennendiversität, was die Robustheit der Funkübertragung bei statischen Installationen weiter verbessert.
Verbesserung der Leistungsübertragungsbilanz
Der Leistungsverstärker (PA) des nRF21540 bietet eine einstellbare Sendeleistungsverstärkung von bis zu +21 dBm. Dies ermöglicht es Entwicklern ein Produkt zu konstruieren, das die unterschiedlichen maximalen Sendeleistungsvorschriften in allen Regionen der Welt erfüllen kann. Der rauscharme Verstärker (LNA) im Empfangspfad des nRF21540 bietet eine Verstärkung von +13 dB. Seine niedrige Rauschzahl (NF) von 2,7 dB sorgt für eine erhöhte Empfindlichkeit der Funk-SoCs von Nordic.
In Kombination mit einem nRF52840, auf dem Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) mit 1 Mbps läuft, verbessert der nRF21540 beispielsweise die Empfindlichkeit um 5 dB auf –100 dBm. In Verbindung mit der erhöhten Ausgangsleistung erhöht sich die Leistungsübertragungsbilanz um 18 dB. Bei anderen SoCs mit weniger als +8 dBm Sendeleistung sind die Verbesserungen sogar noch größer. Die daraus resultierende Erhöhung der Leistungsübertragungsbilanz soll zu einer 6- bis 10-fach höheren Reichweite, im Vergleich zu ähnlichen Anwendungen ohne Funkverstärker-IC, führen.
Vereinfachte Funktests
Das Entwicklungskit nRF21540 DK ist ein Werkzeug zum Testen von Anwendungen, die von der erweiterten Reichweite des Funkverstärker-ICs nRF21540 profitieren. Das nRF21540 DK basiert auf dem nRF52840 DK von Nordic. Es enthält den nRF21540 und verfügt über zwei Chip-Antennen und Anschlüssen für Antennen-Diversity sowie zusätzliche SWF-Anschlüsse für direkte HF-Messungen. Der Verstärker-IC ist auf dem Modul mit dem Funk-SoC nRF52840 verbunden und wird von diesem gesteuert. Der Funk-SoC unterstützt alle Bluetooth-5.3-Funktionen sowie Bluetooth Mesh, Thread, Zigbee und proprietäre 2,4-GHz-Protokolle. Über einen USB-Anschluss ist der integrierte Segger J-LINK-Debugger zugänglich.
Das Evaluierungskit nRF21540 EK ist ein HF-Verstärkermodul mit dem nRF21540, das für einfache Funktests und Entwicklungen verwendet werden kann. Das Modul kann direkt an einen Antennenausgang eines SoCs der Serien nRF52 oder nRF53 angeschlossen werden. Es kann aber auch als »Arduino Shield« an einen der Nordic SoC DKs über deren Arduino-kompatiblen Steckverbinder (Arduino Uno Rev 3 Header) angeschlossen werden. Die Verstärkungsregelung des nRF21540, die Antennenumschaltung und die Betriebsmodi werden über GPIO oder SPI – oder eine Kombination aus beidem – gesteuert und sind über die Arduino-kompatiblen Anschlüsse zugänglich. Das Evaluierungskit verfügt über einen SMA-Stecker für den Anschluss des Funkgeräts und zwei zusätzliche SMA-Stecker für die beiden Antennen.
Nordic empfiehlt das nRF Connect SDK (Software Development Kit) für den Verstärker-IC nRF21540 zu verwenden. Das SDK unterstützt das Entwicklungskit nRF21540 DK und das Evaluierungskit nRF21540 EK über die nrfxlib Multi-Protocol Service Layer (MPSL) Bibliothek. Der Verstärker-IC RF21540 kann auch mit anderen Bausteinen kombiniert werden, aber durch die Treiberunterstützung vereinfacht Nordic Entwicklern die Arbeit mit den eigenen Funk-SoCs.
Für das nRF21540 Development Bundle, es ist bereits bei den Vertriebspartnern von Nordic erhältlich, führt Nordic am 23. Februar zweimal ein 45-minütiges Webinar durch: »Introduction to the nRF21540 RF FEM for range extension«.
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