无线通信产品一直朝着低成本、低消耗功率、小体积等趋势向前发展。短距离设备(Short-Range Devices )更在无线传感器网络(图1)概念的推动下，带动了市场对射频芯片(RF IC)需求量的大增。射频收发器(TRX)要实现低功耗设计，低电压工作是必要条件。然而，电路效能与工作电压有关，如何兼顾效能与低功耗是一个很大的挑战。近年来，RF IC制作技术日新月异。高速、低功率元件更是众所瞩目之焦点。目前0.13um RF CMOS工艺的晶体管，其fT值可达到60GHz，这表明CMOS晶体管有足够的能力来处理高频信号。因此，业内的主流公司几乎都采用RF CMOS 技术，致力于低功率 RF IC的优化与研究。 本文将以笙科电子的2.4GHz IEEE 802.15.4射频收发器(适用于Zigbee标准，RF4CE则是基于Zigbee的遥控器应用规范)为例，介绍超低功率CMOS无线射频芯片的设计概要，从电路设计到系统观点，说明芯片设计和应用过程中需要考虑的地方。该芯片的设计考虑必须涵盖通讯标准规格、电路的行为模式。在接收部分，介绍了2.4GHz射频信号从天线接收后，进入LNA放大信号，经由混频器、滤波器、限幅器、接收端信号强度指示器(RSSI)，{zh1}到达数字解调器，然后把接收数据存入RX-FIFO。另一方面，TX-FIFO内的数字信息经过VCO与双点差异积分调制器调制，把调制后的射频信号通过功率放大器(PA)放大，{zh1}经由天线辐射出去。本文也会从系统观点出发，讨论天线与PCB硬件设计重点以及软件控制，以帮助读者理解如何通过A7153实现低功耗的Zigbee或RF4CE射频网络。
Zigbee调制方式与PA设计考虑 2.4GHz Zigbee标准定义250kbps展频(DSSS)数据传输速率，并采用偏移四相移键调制加半正弦脉波整型调制方式，其等效于最小频移键调制(MSK)。相对于相移键调制(PSK)或正交分频多任务(OFDM)，MSK是一种恒包络的调制方式，因此可以选用线性度不高但效率较高的PA以降低TX功耗。 TX发射器设计考虑 数字调制系统中，IQ调制是一种常见的架构。该架构将被调制的信号分成IQ成分，经由半正弦脉波整型及数字模拟转换器(DAC)转成模拟IQ信号，再通过四相混频器升频至RF信号。由于IQ信号使用数字电路实现，所以有较准确的调制指数，其缺点是需要较多的电路。 另一方面，由于2.4GHz Zigbee调制等效于MSK，而MSK可视为频移键调制(FSK)的一种，所以可以利用压控振荡器(VCO)来实现频移。由于不需要混频器等电路，所以得以降低电路复杂度及功耗。VCO调制设计有两种，一种为开回路，另一种为闭回路。开回路调制直接利用数据控制VCO频率，而未使用锁相环(PLL)或将PLL断开。这样虽可拥有较低功耗，但因频率未被锁住，会有恼人的频漂问题。 相对而言，闭回路系统通常采用delta-sigma调制，其方法是改变PLL除频器的除数，进而改变锁相频率。这种方法的VCO频率是牢牢被锁住的，可以解决频漂的问题，但由于受到回路频宽的限制，它通常适用于低数据率的系统。若要利用闭回路架构达到高数据率，可以采用双点差异积分调制器，即在差异积分调制上加入VCO调制。数据经由差异积分调制的路径上有低通的效果，即高频数据会被滤掉。相对地，在VCO调制的路径上有高通的效果。两者互补的结果，就可完整地调制数据。 值得注意的是，VCO的电压对频率转换曲线，会因半导体工艺而有变异，因此需要额外的校正电路来校正频移量。若设计的VCO有较线性的电压对频率转换曲线，则可大大降低校正电路的复杂度。 RX接收器设计考虑 零中频及低中频是易于实现集成型接收器的两种架构。零中频接收器是将RF信号降频至基频，然后用模拟数字转换器(ADC)转成数字信号，再用数字信号处理器(DSP)将数据解调出来。由于中频频率为零，因此信道选择只需要用低Q值的低通滤波器(其消耗电流也相对较小)。但零中频接收器也有一些缺点，例如直流偏移及闪烁噪声。为解决这些问题，必须增加额外电路,并功耗。 低中频接收器则是将RF信号降至适当的中频，以缓解上述直流偏移及闪烁噪声等问题。但是低中频接收器存在映像干扰的问题，因此低中频接收器需要映像抑制滤波器，此外信道选择滤波器必须采用带通滤波器(BPF)，这使得滤波器所需的Q值较高，也比较耗电。
与ODFM或PSK相比，FSK(或MSK)系统的{zd0}优势是简单的解调器。简单的解调器也代表了较低功耗设计。FSK调制可用非同调解调。非同调解调器不需解调载波、不需要模拟数字转换器(ADC)，也不需ADC之前的线性放大器或自动增益放大器(AGC)，从而可大幅降低电路复杂度及功耗。但非同调解调的灵敏度比同调解调略差1.5dB，所以解调器的选择需依芯片接收灵敏度设计目标来取舍。 2.4GHz IEEE 802.15.4无线收发器实例 从上述综合考虑，以笙科电子的A7153为例讨论无线收发器设计实例。A7153提供了250kbps的展频数据传输速率、范围为-20至5dBm的可编程RF输出功率，以及超高接收灵敏度()。硬件MAC提供128位AES加密和认证，以及SPI接口。这些接口使得对连接各种MCU变得非常方便。 A7153集成了RF IC所需的模拟电路，如VCO(良好的VCO曲线线性度提供双点差异积分调制器在高低温工作条件下的稳定性)、闭回路系统PLL、PA及匹配电路、RF开关、LNA及匹配电路)、Gilbert-cell混频器、映像抑制滤波器以及限幅器(limiter)。A7153的混频器与LNA设计成增益可调，用来提升整体接收器线性度表现。*断混频器设计好坏的指标为IIP3，IIP3数值越大，代表第三阶交互调制信号会干扰到欲接收信号的程度越低，也就是线性度较好。不幸的是，在射频电路设计中，增益与线性度经常要互做取舍。 在天线接口部分， A7153内建的PA及LNA的脚位型态(pin configuration)上采用单端输出入合并设计，可省去外部昂贵的平衡非平衡适配器(balun)。为达到更长的传输距离，笙科电子也提供CMOS工艺的集成型高功率PA(，含LNA)。A7153整体电路均采用低电压设计、低电流驱动架构，以实现低消耗功率的目标。 A7153集成了晶体振荡器的负载电容及PLL滤波组件，大幅减少了外部被动元件。基频部分集成了许多功能，包含TX-FIFO与RX-FIFO、自动序码(preamble)添加、同步码及CRC检查码、展频码。此外，A7153内建的AES-128 硬件加速器，提供很容易实现符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全标准的CCM*模块，并支持载波侦测多重存取/碰撞避免(CSMA/CA)机制沟通方式，具有自动应答(Auto ACK)功能、信道能量侦测(ED)及连结质量指示(LQI)，大幅降低了MCU的负担及功耗。 Zigbee硬件设计原则 设计Zigbee射频模块需要用到许多微波电路知识，比如将PCB Trace等效为天线、传输线、阻抗匹配、信号反射、绝缘层材料选择、驻波处理、地面(Ground Plane)完整性等。这些因素均会影响RF模块性能表现及EMC。 RF PCB设计最基本的要求是把电源处理、地面完整性、RF走线、敏感电路和数字信号进行分区处理。因此，元器件布局是RF设计的关键。一般来说，{zx0}处理的是RF路径及Xtal路径上的元器件布局。比如，两个电感布局不要平行靠在一起，因为这将形成互感，造成信号干扰，而是{zh0}将两个电感放成直角排列，让互感减到最小。其次是提供RF IC最需要的干净电源。电源一定要滤波，电源去耦元件要尽可能靠近IC引脚并接地，并同时考虑PA启动瞬间，瞬时大电流需求的电源问题。另外，电源走线要越短越好，并远离RF信号线或Xtal等干扰源。(电源问题常常造成异常的RF效能与EMC问题)。 一般使用双层的FR4 PCB时，会将主接地面安排于PCB下层，RF信号走在表层上。在所有PCB设计中，尽可能将数字电路远离仿真电路是不变的原则，它同样也适用于RF PCB设计。当一些高速信号线要穿过了破碎的地面，这{jd1}不是一件好事，须尽可能避免，并保持PCB下层地面的完整性。针对PCB上层的走线，亦应避免形成过多的游离地，因为它们会像一个小天线，提供干扰源侵入的路径。在大多数情况下，可以把这些游离地去掉。 在笙科电子A7153的参考模块中，PCB天线采用F型天线拓扑结构，支持全向辐射场形。为把天线的性能发挥到{jz}，从应用的角度来讲，RF模块的天线{zh0}伸出母版的边缘，RF模块下面的母版{zh0}不要走线。RF模块和产品外壳的整个设计也会影响天线的性能。粗劣的设计会影响天线场形，使发送信号出现反射、折射、散射，造成传输距离的大幅缩短。还有一些设计指南有助于确保天线的性能，比如：不要直接在模块的天线下面设置接地面或布铜线、天线要尽可能远离金属物体、PA路径下方尽可能保有一块完整的地面。 Zigbee软件设计 Zigbee设备最常采用的省电方法是使传感器进入周期性的睡眠状态，以获得长久的电池寿命。也就是说，A7153为进一步降低平均功耗，内建了无线唤醒机制，MCU先启动A7153的无线唤醒机制，然后进入睡眠模式。此时，除了低功耗无线唤醒定时器仍在运作外，其余电路均自动进入睡眠模式。待定时器数到预定时间时，A7153会自动进入接收状态，去侦测有无射频封包。若有，则接收封包并唤醒MCU，待MCU下达进一步指令。若在某预定时间内未侦测到封包，则A7153又会自动进入睡眠模式并重新开始计时，形成周而复始的工作周期，直到接收到封包。 由上述可知，工作周期的长短直接影响数据传输效率以及能源的消耗。长工作周期可以增进数据传输效率，但是功耗较多；短工作周期可以节省能源消耗但传输效率下降。A7153提供Zigbee定义的16个射频信道(RF4CE则是从16个信道取出三个信道，分别为2425/2450/2475MHz)，MCU只需改变A7153的一个缓存器，即可达到换频。MCU亦可利用A7153的RSSI得知当下网络上信号强度，计算出贴近网络质量状况的真正表现。此外，通过CSMA/CA沟通方式可获得更理想的传输效能，同时大幅地降低封包碰撞的能量消耗。 Zigbee也定义了一个带有时间同步标志的可选超帧结构、高优先级通信的GTS机制、保障无延时或竞争的通信，并支持高达 65,000 个节点以及不同型态的网络拓扑(星形、丛集或网状)。极低的工作周期可以让使用钮扣电池的节点持续运行数年。当软件工程师启动AES128加密功能时，A7153仅在发射或接收数据封包时才执行，因此平均功率仍然很低。 RF4CE射频遥控器——全球新标准 ZigBee 联盟主席 Bob Heile 表示：“RF4CE为电子产品制造商提供了一种全球性标准，从而简化对各种消费电子设备的操控，并改善用户体验。今后，消费者将享有更大的便利，更加灵活地使用消费电子设备。”笙科电子一直很关注RF4CE的市场需求，基于A7153的高xxx方案除了具有RF4CE遥控器常见的五大优点外，还可帮助客户使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趋势，取得成本优势。 RF4CE遥控器的五大优点为：发射瞬间电流为IrDA的十分之一，因此遥控器可以有更长的电池寿命；利用双向通讯能够定位找不到的遥控装置；通用指令集实现真正的互操作性，封包加密，无需使用多个遥控装置；能够对摆放在几乎任何位置的设备进行操控，特别是在隐密的地方；新的交互式功能，增强的用户接口和先进的显示功能。 本文小结 笙科电子的A7153在定位上就是锁定RF4CE相对单纯的点对点架构。该芯片内建简单好用的硬件功能和低功耗的芯片架构，提供软件工程师设计出长电池寿命的RF4CE遥控器。RF4CE标准的背后有国际一线消费性电子大厂的力挺，因此RF4CE被预估为Zigbee的杀手级应用，成为IEEE 802.15.4最重要的市场。工程师只需选择通用型的8051(或其它8位单芯片)，搭配笙科电子的A7153开发平台，即可设计出成本{zj0}化的RF4CE遥控器。RF4CE除了逐步取代既有红外线遥控器市场外，势必还有“异”想不到的应用躲在暗处，等着有创意的读者来寻宝。 |
