Un módulo de RF (abreviatura de módulo de radiofrecuencia ) es un (normalmente) pequeño dispositivo electrónico que se utiliza para transmitir y/o recibir señales de radio entre dos dispositivos. En un sistema integrado, a menudo es deseable comunicarse con otro dispositivo de forma inalámbrica . Esta comunicación inalámbrica se puede lograr mediante comunicación óptica o mediante comunicación por radiofrecuencia (RF). Para muchas aplicaciones, el medio elegido es la RF, ya que no requiere línea de visión. Las comunicaciones por RF incorporan un transmisor y un receptor . Los hay de varios tipos y gamas. Algunos pueden transmitir hasta 500 pies. Los módulos de RF normalmente se fabrican utilizando tecnología RF CMOS .
Los módulos de RF se utilizan ampliamente en el diseño electrónico debido a la dificultad de diseñar circuitos de radio. Un buen diseño de radio electrónica es notoriamente complejo debido a la sensibilidad de los circuitos de radio y la precisión de los componentes y diseños necesarios para lograr el funcionamiento en una frecuencia específica. Además, un circuito de comunicación de RF confiable requiere un monitoreo cuidadoso del proceso de fabricación para garantizar que el rendimiento de RF no se vea afectado negativamente. Por último, los circuitos de radio suelen estar sujetos a límites de emisiones radiadas y requieren pruebas de conformidad y certificación por parte de una organización de normalización como ETSI o la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. Por estas razones, los ingenieros de diseño a menudo diseñan un circuito para una aplicación que requiere comunicación por radio y luego "incorporan" un módulo de radio prefabricado en lugar de intentar un diseño discreto , lo que ahorra tiempo y dinero en el desarrollo.
Los módulos de RF se utilizan con mayor frecuencia en productos de volumen medio y bajo para aplicaciones de consumo, como abridores de puertas de garaje, sistemas inalámbricos de alarma o monitoreo, controles remotos industriales , aplicaciones de sensores inteligentes y sistemas inalámbricos de automatización del hogar . A veces se utilizan para reemplazar diseños de comunicación por infrarrojos más antiguos , ya que tienen la ventaja de no requerir operación en la línea de visión.
Varias frecuencias portadoras se utilizan comúnmente en módulos de RF disponibles comercialmente, incluidos aquellos en las bandas de radio industriales, científicas y médicas (ISM), como 433,92 MHz, 915 MHz y 2400 MHz. Estas frecuencias se utilizan debido a las regulaciones nacionales e internacionales que rigen el uso de la radio para las comunicaciones. Los dispositivos de corto alcance también pueden utilizar frecuencias disponibles sin licencia, como 315 MHz y 868 MHz.
Los módulos de RF pueden cumplir con un protocolo definido para comunicaciones de RF como Zigbee , Bluetooth Low Energy o Wi-Fi , o pueden implementar un protocolo propietario .
El término módulo de RF se puede aplicar a muchos tipos, formas y tamaños diferentes de placas de circuitos de subconjuntos electrónicos pequeños . También se puede aplicar a módulos en una gran variedad de funcionalidades y capacidades. Los módulos de RF normalmente incorporan una placa de circuito impreso , un circuito de transmisión o recepción, una antena y una interfaz en serie para la comunicación con el procesador host.
La mayoría de los tipos estándar y conocidos se tratan aquí:
Un módulo transmisor de RF es un pequeño subconjunto de PCB capaz de transmitir una onda de radio y modular esa onda para transportar datos. Los módulos transmisores generalmente se implementan junto con un microcontrolador que proporcionará datos al módulo que se puede transmitir. Los transmisores de RF suelen estar sujetos a requisitos reglamentarios que dictan la potencia de salida máxima permitida del transmisor , los armónicos y los requisitos de borde de banda.
Un módulo receptor de RF recibe la señal de RF modulada y la demodula . Hay dos tipos de módulos receptores de RF: receptores superheterodinos y receptores superregenerativos . Los módulos superregenerativos suelen ser diseños de bajo coste y baja potencia que utilizan una serie de amplificadores para extraer datos modulados de una onda portadora. Los módulos superregenerativos son generalmente imprecisos ya que su frecuencia de funcionamiento varía considerablemente con la temperatura y el voltaje de la fuente de alimentación. [ cita necesaria ] Los receptores superheterodinos tienen una ventaja de rendimiento sobre los superregenerativos; Ofrecen mayor precisión y estabilidad en un amplio rango de voltaje y temperatura. Esta estabilidad proviene de un diseño de cristal fijo que en el pasado solía significar un producto comparativamente más caro. Sin embargo, los avances en el diseño de chips receptores significan que actualmente hay poca diferencia de precio entre los módulos receptores superheterodinos y superregenerativos.
Un módulo transceptor de RF incorpora un transmisor y un receptor. El circuito generalmente está diseñado para operación semidúplex , aunque hay módulos full-duplex disponibles, generalmente a un costo mayor debido a la complejidad adicional.
Un módulo SoC es lo mismo que un módulo transceptor, pero a menudo se fabrica con un microcontrolador integrado. El microcontrolador se utiliza normalmente para gestionar la paquetización de datos de radio o gestionar un protocolo como un módulo compatible con IEEE 802.15.4 . Este tipo de módulo se utiliza normalmente para diseños que requieren procesamiento adicional para cumplir con un protocolo cuando el diseñador no desea incorporar este procesamiento en el microcontrolador anfitrión.
Los módulos de RF normalmente se comunican con un sistema integrado, como un microcontrolador o un microprocesador. Los protocolos de comunicación incluyen UART , utilizado en los módulos X-Bee de Digi International , Bus de interfaz periférica serie utilizado en los módulos AIR de Anaren y Bus serie universal utilizado en los módulos de Roving Networks. Aunque el módulo puede utilizar un protocolo estandarizado para la comunicación inalámbrica, los comandos enviados a través de la interfaz del microcontrolador generalmente no están estandarizados ya que cada proveedor tiene su propio formato de comunicaciones patentado. La velocidad de la interfaz del microcontrolador depende de la velocidad del protocolo de RF subyacente utilizado: los protocolos de RF de mayor velocidad, como Wi-Fi, requieren una interfaz serie de alta velocidad, como USB, mientras que los protocolos con una velocidad de datos más lenta, como Bluetooth Low Energy, pueden usar una interfaz UART.
Existen varios tipos de métodos de modulación de señales digitales comúnmente utilizados en módulos transmisores y receptores de RF:
La descripción detallada, las ventajas y desventajas se enumeran en los artículos vinculados anteriormente.
Como ocurre con cualquier otro dispositivo de RF, el rendimiento de un módulo de RF dependerá de varios factores. Por ejemplo, aumentando la potencia del transmisor se conseguirá una mayor distancia de comunicación. Sin embargo, esto también dará como resultado un mayor consumo de energía eléctrica en el dispositivo transmisor, lo que reducirá la vida útil de los dispositivos que funcionan con baterías. Además, el uso de una mayor potencia de transmisión hará que el sistema sea más propenso a sufrir interferencias con otros dispositivos de RF y, de hecho, es posible que el dispositivo se vuelva ilegal según la jurisdicción. En consecuencia, aumentar la sensibilidad del receptor también aumentará el alcance de comunicación efectivo, pero también provocará potencialmente un mal funcionamiento debido a interferencias de otros dispositivos de RF.
El rendimiento del sistema general se puede mejorar utilizando antenas adaptadas en cada extremo del enlace de comunicación, como las descritas anteriormente.
Finalmente, la distancia remota etiquetada de cualquier sistema en particular normalmente se mide en una configuración de línea de visión al aire libre sin ninguna interferencia, pero a menudo habrá obstáculos como paredes, pisos o construcciones densas para absorber las señales de ondas de radio, por lo que la la distancia operativa efectiva será en la mayoría de los casos prácticos menor que la especificada.
Se utilizan diversos métodos para conectar un módulo de RF a una placa de circuito impreso , ya sea con tecnología de orificio pasante o con tecnología de montaje en superficie . La tecnología de orificio pasante permite insertar o retirar el módulo sin soldar. La tecnología de montaje en superficie permite conectar el módulo a la PCB sin un paso de ensamblaje adicional. Las conexiones de montaje en superficie utilizadas en los módulos de RF incluyen Land Grid Array (LGA) y almohadillas almenadas. El paquete LGA permite módulos de tamaño pequeño ya que todas las almohadillas están debajo del módulo, pero las conexiones deben someterse a una radiografía para verificar la conectividad. Los orificios almenados permiten la inspección óptica de la conexión, pero harán que el espacio del módulo sea físicamente más grande para acomodar las almohadillas.
Los módulos de RF, especialmente los módulos SoC, se utilizan con frecuencia para comunicarse según un estándar inalámbrico predefinido, que incluye:
Sin embargo, los módulos de RF también se comunican con frecuencia mediante protocolos propietarios, como los que se utilizan en los abre-puertas de garaje.
El cumplimiento normativo final del producto basado en un módulo de RF integrado y compatible (como la mayoría de los dispositivos IoT actuales) es un malentendido común. Un módulo que cumple con los requisitos esenciales de las regulaciones de los países ( FCC , CE, ICES , ANATEL , etc.) casi nunca cubre el producto final. Sin embargo, esto no significa que se requieran pruebas de cumplimiento total al integrar un módulo de RF compatible. Integrar un módulo compatible tiene muchas ventajas.
El módulo de RF es esencial en el producto de consumo actual, pero también es sólo una parte del producto final. Los módulos de radio han evolucionado a lo largo de los años. Los reguladores de voltaje a bordo y la antena integrada generalmente intentan garantizar que los fenómenos de radio permanezcan iguales sin importar su anfitrión. Puede consultar la mayoría de las mediciones del espectro de RF a nivel modular para comprobar el cumplimiento al probar y certificar su producto en un laboratorio de RF EMC acreditado por ISO 17025.
Al final es el producto final el que debe cumplir con la normativa. Aspectos como la salud, la seguridad y la susceptibilidad a la radiación no pueden cubrirse a nivel modular.