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射頻/無線  

滿足高性能、低成本需求的ISM收發器

上網時間: 2008年08月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:射頻  MCU  功耗 

1GHz以下的非授權ISM頻帶為消費電子和工業產品所廣泛使用。這些產品涉及家庭安全、家庭自動化、工業控制、遠端感應、自動抄表、電動玩具、氣象站和無線天氣鐘等諸多應用,而它們都將更長距離、低系統成本和長電池壽命視為關鍵參數。相對於2.4GHz,這些頻率下的傳輸特性更優異,因此具備更低電流損耗的sub-GHz頻帶具備更長的有效距離。另外,sub-GHz頻率對於微波、Wi-Fi和藍牙是無干擾的,也使它們比2.4GHz具有更高的穩健度。

為該市場設計收發器所面臨的主要技術挑戰是如何有效處理高性能與低成本和低功耗之間的不一致。EZRadioPRO系列產品則是出於這樣的初衷而設計,對於相應競爭產品而言,其在系統BOM成本、電流損耗以及有效距離/鏈路預算(link budget)方面具有優勢。

其在訊息通道選擇濾波器、調變格式、頻寬最佳化和數據封包處理特性等方面也具備高度的可配置性和靈活性。這種高等級的可配置性使晶片能更好地適應廣大的應用領域。圖1是一個典型應用架構圖,其中包括了天線分集。

圖1:包含天線分集的典型應用。
圖1:包含天線分集的典型應用。

有效距離和鏈路預算

有效距離由可獲得的鏈路預算和接收天線與發送天線之間的路徑損耗所決定。而鏈路預算則由到接收器和發送器天線的總增益減去接收機靈敏度來決定。儘管sub-GHz具備諸多優勢,但多徑衰落和干擾仍會使距離受到限制。

多徑衰落由接收到的多向發送訊號引起,而這些多向訊號則通常是因為受到金屬物體反射,因而導致訊號在接收天線出現對消或衰減。防止多徑衰落的一個常用方法是使用天線分集,其在多徑衰落環境下一般可提升8-10dB的鏈路預算。

EZRadioPRO無需外部PA(功率放大器)或LNA(低雜訊放大器)則可以使任何ISM頻帶收發器獲得最遠發射距離,而透過諸如輸出功率達+20dBm的PA、低雜訊和高線性接收前端、靈敏的高性能數位GFSK/FSK/OOK調變解調和全整合的天線分集演算法等來防止多徑衰落的影響,也可使鏈路預算大為改善。

EZRadioPRO目前是無線感測器市場裡唯一能提供完全整合的+20dBm PA或天線分集演算法的解決方案。+20dBm的高效PA需要抑制Tx電流損耗以避免對電池壽命造成較大影響。E類PA設計通常還能同時具備低功耗和高輸出功率。使用標準CMOS製程能解決幾個電路設計問題,而結合最佳化的佈局還可以獲得高效的輸出功率。

EZRadioPRO的輸出功率和效率均優於同類產品,而其對適用於跳頻和數位調變的FCC規格第15.247部份所指定的那些高功率ISM應用而言是一個突破。

功率損耗

市面上大量應用是採用電池驅動的,因此電流損耗成為選擇設備的一個關鍵參數。具有最小電流損耗的深度睡眠模式能使電池壽命延長幾年。在ISM收發器領域,EZRadioPRO產品的最低深度睡眠模式(10nA)比市面上的所有解決方案都少10倍以上的電流損耗。

大多數應用會使用大量的時間來搜查和輪詢訊號,因此接收器的電流損耗成為該收發器的另一個關鍵參數。在很多應用裡,具備最小電流損耗的低頻率時脈通常用於維護不同節點間的定時。而EZRadioPRO產品線具有一個32kHz的RC振盪器、一個32kHz晶振和感測器控制,所有這些的電流損耗都非常小,因而能夠提供多種靈活的低功率模式。

低成本

EZRadioPRO是出於降低系統成本的初衷而開發的。很多應用的外部元件數量能夠左右BOM成本。為了達到更長的有效距離,系統通常會選用超過1美元的外部PA,而EZRadioPRO完全整合的+20dBm PA則可顯著減少系統成本。即使應用不需要+20dBm時,相對市面上的+10dBm整合PA而言,該晶片的額外輸出功率也可以為小型的低成本低EIRP天線提供補償,而能夠以更低的成本獲得相同的有效距離。

強大的數據封包處理器使採用低成本MCU成為可能。另外,整合自動頻率校準(AFC)功能允許使用廉價的具有不嚴格頻率容差的晶振。為支援多樣的潛在應用,其他完全整合進該RFIC的還包括溫度感測器、低電池容量檢測器、通用ADC和穩壓器。由於該晶片具有高度線性前端與數位訊息通道選擇濾波器,所以免除了在接收路徑上使用專用SAW濾波器的必要,而SAW濾波器在其他ISM接收器中是很常見的。

許多方案採用一個外部SAW濾波器來滿足寄生參數性能方面的要求,但這顯著提升了BOM成本。EZRadioPRO無需外部SAW濾波器,轉而使用少量的通用被動元件(電感和電容)來執行所需的濾波和匹配。另外的幾個整合功能也使系統成本大為減少,包括帶可編程閾值的低電池容量檢測器、通用8位元ADC、帶可編程定時功能的溫度感測器、超低功耗喚醒定時器以及用於週期性自動接收掃描的低佔空比模式等。三個GPIO接腳則適用於天線分集、可編程時脈輸出、中斷輸入以及有效數據封包輸出等不同應用。

EZRadioPRO設計

為了能在低電流損耗情況下提供優越性能,必須謹慎選擇架構和模組設計。該收發器的架構如圖2所示。

圖2:EZRadioPRO收發器的架構。
圖2:EZRadioPRO收發器的架構。

EZRadioPRO的接收器架構是為了獲得高靈敏度和高抗擾性而專門最佳化的。對於窄頻應用,無需使用外部LNA其靈敏度就可提高至-120dBm,而獲取70dB的抗擾性能也無需使用外部射頻預選濾波器。透過最佳化LNA、正交混波器、PGA(可編程增益放大器)和ADC的類比設計可獲得高度靈敏性,而訊息通道靈敏度和數據機靈敏度則可以在數位域裡面完成。

這樣的分隔可使性能、功耗和系統成本達到最大最佳化。LNA、正交混波器和PGA都在低雜訊特性、高動態範圍和低功耗方面進行了最佳化。透過利用LNA和PGA的幾個增益級,動態範圍得到了擴展。這些增益級為AGC(自動增益控制)電路所控制,並且將RSSI(無線訊號強度指示器)的範圍擴展至120dB。

數位數據機的主要功能包括訊息通道選擇濾波、調變、解調、AGC、AFC(自動頻率控制)、天線分集演算法以及封包處理等。訊息通道選擇濾波器、調變和解調模組是可編程的,以能覆蓋多種應用。其中,訊息通道選擇濾波器可編程的頻寬範圍為2.6kHz-620kHz,以支援窄頻和寬頻ISM應用,並能支援GFSK、FSK和OOK三種調變方式。

數據率也是可編程的,其範圍是1kbps-128kbps。同樣,可編程的GFSK/FSK偏差為625Hz-320kHz。整合的高斯濾波器可減少邊帶散發以滿足眾多的調整需求。數位RSSI具有0.5dB解析度,而帶可編程閾值的載波偵聽功能則可以支援CCA(空閒訊息通道評估)和LBT(先聽後發)應用。AFC電路補償了由各石英晶體容差所引起的頻率誤差。這就允許使用更加廉價的較大頻率容差晶振。

由於擁有穩健的數據封包採集演算法,接收器只需少於8位元的前同步碼就能進行判決。OOK模式可結合高達620kHz的訊息通道濾波器頻寬來應付傳輸訊號的大頻率誤差,以相容低成本發送器。嵌入式天線分集功能是EZRadioPRO晶片的獨特功能,這是低成本ISM收發器設計一個突破。如果使用兩個天線,天線分集演算法將會自動選擇訊號接收能力較強的那個天線。

正如前文提及的那樣,這可以提升8-10dB的鏈路預算。整合的數據封包處理器具有多種可編程功能,減少了所需的應用開發時間並允許使用低成本MCU。前同步碼長度、同步字、封包頭、數據封包長度和CRC都可以透過SPI介面進行編程。64位元組的分離式Tx和Rx FIFO簡化了外部控制器和元件之間通訊。

重發功能只需重複數據封包傳輸而無需再次發送數據到Tx FIFO。封包頭的可編程長度達4位元組,允許全面的數據封包濾波和廣播。數據封包處理器同時能支援數據白化/去白化以及曼徹斯特編碼/解碼。

小數分頻鎖相環將發送器和接收器調整到所要求的訊息通道上。EZRadioPRO能在240MHz-960MHz範圍內提供完全的sub-GHz ISM頻帶的連續頻率覆蓋。能為全球各地新規劃的頻帶與標準提供即時地解決方案。透過使用單一LC-VCO,可解決如何覆蓋寬闊的連續頻率範圍所帶來的挑戰,而該LC-VCO後面是一個可配置的分頻電路。

在高頻帶上的312.5Hz頻率分辨以及在低頻帶上的156.25Hz頻率分辨,可實現精確的GFSK/FSK調變和訊息通道調諧。頻率分辨的選擇,也能實現如10kHz、12.5kHz、100kHz等普遍訊息通道間距的準確調諧。透過使用額外的編程功能支援簡化的頻率可編程,該概念解決了最初定義的訊息通道梯度大小和基頻,同時,也能透過SPI介面簡單地將訊息通道碼編程到單一暫存器,以存取目標訊息通道頻率。

小數分頻鎖相環的設定時間支援從接收到發送(和從發送到接收)的跳頻和快速周轉時間。在不違反頻譜分配規格的前提下,發送輸出訊號的高頻譜純淨度,將使更高水準地利用輸出功率成為可能。

作者:Rafi Fried

無線業務部總經理

Hardy Schmidbauer

RF設計經理

Henk de Ruijter

DSP架構經理

Integration Associates公司





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