Полнодуплексная плата NiceRF SA728F33 для беспроводной передачи аудио имеет выходную мощность радиопередатчика 2 Вт, поддерживает частоту дискретизации до 48 кГц и одновременную передачу с 16 устройств. Как меняется дальность связи при разных частотах дискретизации и ограничениях числа одновременно передающих устройств? Мы провели натурные испытания на расстояниях 797 м, 1,4 км, 2,3 км и 2,9 км. В статье также описано подключение оборудования и приведены материалы для начала испытаний и разработки.

Что представляет собой SA728F33

SA728F33 — полнодуплексная плата для беспроводной передачи аудио на базе модуля SA718F33. Обозначение F33 в названии соответствует мощности радиопередатчика 33 dBm, то есть примерно 2 Вт. Плата оснащена аналоговыми аудиоинтерфейсами, цифровым аудиоинтерфейсом I2S, последовательным портом и кнопками управления. К ней можно подключить управляющий контроллер и аудиооборудование для полнодуплексной голосовой связи и беспроводной передачи данных.

Для сборки прототипа переговорного устройства достаточно подключить подходящую антенну, питание и аудиооборудование. После этого можно настроить параметры и проверить связь с помощью программы для ПК. Подключённый управляющий контроллер позволяет считывать и записывать параметры, а также управлять модулем через UART. Кнопки питания, переключения каналов, регулировки громкости и PTT на плате удобны для работы на месте испытаний.

Что улучшено в SA728F33 по сравнению с SA628F22

По сравнению с SA628F22 в SA728F33 увеличены выходная мощность радиопередатчика и максимальное число одновременно передающих устройств, добавлены варианты частоты дискретизации. Также поддерживаются шифрование AES256, двухбайтовые Device ID и Group ID и энергосберегающий режим с настраиваемой задержкой перехода.

Более высокая мощность и больше одновременно говорящих участников

Выходная мощность радиопередатчика увеличена с 22 dBm у SA628F22 до 33 dBm у SA728F33, что соответствует примерно 2 Вт. Результаты испытаний дальности при разных частотах дискретизации и ограничениях числа одновременно передающих устройств приведены ниже.

Максимальное число одновременно передающих устройств увеличено с 8 до 16. Это подходит для полнодуплексных переговорных систем, в которых нескольким участникам требуется говорить одновременно.

Три частоты дискретизации для разных источников аудиосигнала

SA728F33 поддерживает частоты дискретизации 8, 16 и 48 кГц. При использовании входа LINE IN и частоты дискретизации 48 кГц полоса воспроизводимых частот достигает 20 Гц–19 кГц, что позволяет передавать широкополосный аудиосигнал. Для проектов преимущественно с голосовой связью можно выбрать 8 или 16 кГц с учётом качества звучания и требований к покрытию.

Вход MIC IN предназначен для микрофонного речевого сигнала и имеет полосу 200 Гц–3,5 кГц. LINE IN позволяет подключать внешний широкополосный источник аудиосигнала и использовать подходящую частоту дискретизации.

Шифрование, управление устройствами и энергосбережение

В SA728F33 предусмотрено шифрование AES256, которое настраивается через программу для ПК или по протоколу последовательного порта. Для шифрованной передачи голоса и данных необходимо включить шифрование на обеих сторонах и задать одинаковый ключ.

Поля Device ID и Group ID расширены до 2 байт. Device ID идентифицирует устройство, Group ID задаёт группу связи. С помощью Audio-Target ID и Source ID можно задать адресата передачи и источник приёма для связи нескольких устройств. Диапазон Device ID — 1–65535. Значение 0 для ID адресата или источника означает все устройства группы. Число одновременно передающих устройств показывает, сколько устройств ведут передачу в один момент. Его предельное значение и диапазон Device ID — разные параметры.

Энергосберегающий режим можно включить или отключить соответствующим переключателем. Параметр Idle Timeout задаёт время ожидания перед переходом в этот режим при отсутствии приёма и передачи.

Натурные испытания дальности связи SA728F33

Испытания проводились в условиях с дорогами, транспортом и окружающей застройкой. Качество связи оценивалось в четырёх точках: 797 м, 1,4 км, 2,3 км и 2,9 км.

Оборудование и параметры испытаний

В таблицах ниже «лимит передающих устройств» означает установленное значение MAX-Concurrent-Num. Значение 1 допускает передачу максимум с одного устройства и соответствует режиму Half_duplex в программе. В испытаниях использовались два модуля; оценивалась связь при разных сочетаниях этого лимита и частоты дискретизации.

Результаты для разных настроек в четырёх точках испытаний

На расстояниях 797 м и 1,4 км оценивалась связь при разных ориентациях устройств, на 2,3 км — после подбора ориентации, а на 2,9 км — возможность приёма на предельной дальности. Результаты устойчивой связи, прерываний и приёма для каждой настройки приведены ниже.

Связь на больших расстояниях при частоте дискретизации 48 кГц

В точках 797 м и 1,4 км при частоте дискретизации 48 кГц связь оставалась устойчивой с лимитами 1, 2, 4 и 8 передающих устройств. При лимитах 2 и 4 связь также оставалась устойчивой на 2,3 км после подбора ориентации.

Для передачи внешнего широкополосного аудиосигнала можно начать с частоты дискретизации 48 кГц и лимита 2 или 4 передающих устройств. Затем следует проверить связь при перемещении и повороте устройств в предполагаемых местах установки и в пределах рабочей зоны.

Выбор частоты дискретизации при большом числе передающих устройств

В точке 2,3 км после подбора ориентации связь оставалась устойчивой при всех проверенных лимитах передающих устройств с частотами дискретизации 8 и 16 кГц, включая лимит 16. Эти две частоты можно рассматривать в первую очередь для переговорных систем большой дальности с высоким лимитом одновременно передающих устройств.

Чувствительность приёмника при разных частотах дискретизации и лимитах передающих устройств приведена ниже.

При лимите 2 передающих устройств чувствительность одинакова для всех трёх частот дискретизации. При лимитах 8 и 16 более низкая частота дискретизации обеспечивает лучшую чувствительность. Поэтому, если требуется одновременная речь большого числа участников, можно сначала задать необходимый лимит, а затем сравнить качество звука и фактическое покрытие при 8 и 16 кГц.

Предельная дальность приёма и проверка фактического покрытия

В точке 2,9 км эпизодический приём наблюдался при двух сочетаниях: лимит 16 устройств / 8 кГц и лимит 8 устройств / 16 кГц. Подробные результаты приведены в таблице выше.

Интерфейсы и подключение оборудования

При первом испытании можно подключить к каждой из двух плат SA728F33 микрофон и динамик и проверить двустороннюю голосовую связь. Затем, в зависимости от требований проекта, подключить внешний источник аудиосигнала, управляющий контроллер или аудиооборудование с I2S. Все номера выводов ниже относятся к плате SA728F33.

Питание и базовое подключение для голосовой связи

К каждой из двух плат подключите подходящую антенну, питание, микрофон и динамик. При подключении через штырьевые контакты используйте следующую таблицу.

На плате имеется кнопка PTT, которую можно использовать непосредственно при настольных испытаниях. При питании 4,2 В выходная мощность радиопередатчика составляет около 1,5 Вт, а при 5 В — около 2 Вт. Точная мощность зависит от частотного диапазона и условий питания. При выборе источника питания сверяйтесь с таблицами мощности и тока для соответствующих условий. Цепь питания и соединительные провода должны иметь запас по пиковому току передачи: в таблицах приведён средний ток, а пиковый ток превышает его более чем вдвое.

Настройка и проверка голосовой связи через программу для ПК

После подключения оборудования соедините обе платы с компьютером USB-кабелями. В программе для ПК выберите соответствующий последовательный порт для каждой платы и установите соединение. На обеих платах можно сначала нажать DEFAULT для восстановления параметров по умолчанию, а затем задать нужные настройки голосовой связи.

Для первого испытания прямой связи между двумя платами можно использовать следующие настройки.

Эти настройки удобны для базовой проверки голосовой связи. В дальнейшем можно изменить частоту дискретизации и лимит одновременно передающих устройств. После настройки нажмите SET и убедитесь, что появилось сообщение «Successfully saved»: это подтверждает, что параметры сохранятся при отключении питания.

Удерживая кнопку PTT на одной плате, произнесите сообщение и проверьте звук из динамика второй платы. Затем поменяйте направление связи. При лимите 2 устройств можно также одновременно удерживать PTT на обеих платах и говорить, проверяя двустороннюю передачу голоса. После этого сравните качество звука и покрытие при 8, 16 и 48 кГц с учётом требований проекта.

При выборе частоты дискретизации и лимита передающих устройств учитывайте число одновременно говорящих участников, качество звука, покрытие и задержку связи. Типовая задержка SA728F33 при лимитах 2, 4, 8 и 16 устройств составляет соответственно 281, 365, 525 и 992 мс. Эти значения можно использовать как ориентир при выборе настроек.

Если в проекте используется Mesh-ретрансляция, задавайте параметры с учётом числа переходов и фактического числа одновременно передающих устройств, отображаемого в программе для ПК.

Подключение внешнего аналогового источника аудиосигнала

Для испытаний с музыкой или другим внешним аудиосигналом подключите выход источника к выводу 10 LINEIN и выводу 11 GND, а параметр Audio-IN установите в Line In. На приёмной стороне можно использовать разъём LINE OUT на плате либо подключить внешнее аудиооборудование к выводу 8 LINEOUT и выводу 9 GND. На плате предусмотрены разъёмы LINE IN и LINE OUT; в зависимости от оборудования можно использовать их или штырьевые контакты.

Максимальное входное напряжение LINE IN без искажений составляет 1,2 В RMS при максимальной настройке громкости на приёмной стороне. После подключения внешнего источника сначала уменьшите его выходную громкость, затем постепенно настройте уровень. Для широкополосного аудиосигнала установите частоту дискретизации 48 кГц: при ней полоса LINE IN составляет 20 Гц–19 кГц.

Подключение управляющего контроллера через UART

Управляющий контроллер может настраивать плату через UART. Передающий вывод одной стороны подключается к принимающему выводу другой; также необходимо соединить общие провода.

Уровень сигналов UART составляет 3,3 В. Формат по умолчанию: 115200 бит/с, 8 бит данных, без контроля чётности, 1 стоп-бит. Команды последовательного порта передаются в виде байтов HEX. Для начала отладки можно использовать следующие команды.

Сначала считайте версию прошивки и основные параметры, чтобы проверить соединение по последовательному порту. Затем реализуйте настройку параметров согласно протоколу связи. После изменения параметров отправьте команду сохранения. При успешном выполнении возвращаются байты 4F 4B 0D 0A, то есть OK с возвратом каретки и переводом строки.

Направления сигналов аудиоинтерфейса I2S

Если цифровое аудио обрабатывается MCU, DSP или аудиокодеком, можно использовать интерфейс I2S. Направления тактовых сигналов и данных на плате приведены ниже.

Уровень сигналов I2S составляет 3,3 В. Для цифрового аудиовхода задайте Audio-IN = IIS (вариант I2S в интерфейсе программы); для цифрового аудиовыхода задайте Audio-OUT = IIS. Разрядность, выравнивание данных и соотношение тактовых частот внешнего устройства должны соответствовать формату I2S используемой прошивки.

Материалы для разработки

NiceRF предоставляет для SA728F33 техническую спецификацию, программу настройки для ПК, руководство по её использованию и протокол последовательного порта. Эти материалы предназначены для подключения оборудования, испытаний аудиосвязи, настройки параметров и разработки ПО управляющего контроллера.

Сначала можно проверить связь и подобрать рабочие параметры через программу для ПК. Затем на основе протокола связи реализовать в ПО управляющего контроллера чтение и запись параметров, управление устройством, приём и передачу данных.