高性能 Sub-GHz無線芯片及應用方案

Silicon Labs公司

Sub-GHz無線市場概況

當今世界，無線產品早已無處不在。在我們周圍分布著大量的無線產品和應用系統，如氣象站、汽車無鑰匙進入系統（RKE）、噴灌系統、照明系統、智能家居、自動抄表等等。

在無線應用領域，1GHz以下（Sub-GHz）頻段的無線市場擁有巨大且日益增長的商業機會。以汽車、消費電子市場為例：僅汽車的無鑰匙進入系統，每年就有1.5億套產品市場；而消費類電子產品的市場容量每年都有上億套。此外，近年來興起的家庭自動化和自動抄表應用也有很高的市場需求。巨大的商機使得無線市場非常具有吸引力。

無線產品之所以具有廣泛的應用，很重要的一點就是現代無線器件降低了產品設計的門檻。現代無線器件的集成度越來越高，多功能部件如調制解調、天線調諧、自動頻率控制等，都能集成在一個無線芯片內，使無線功能可以很容易地加入到最終產品中。設計門檻的降低還包括RF數據鏈路的成本下降，適合于MCU的輕量級加密算法的廣泛應用。設計門檻的降低使越來越多的工程師能進入無線領域，也使越來越多的產品能加入無線功能，從而催生了更多的無線應用，例如游戲控制器、傳感器、數據記錄儀等。在現有的無線應用中，大規模的應用屬于單向鏈路應用，即一方只發射，另一方只接收，像汽車的無鑰匙進入系統、遙控器和傳感器就是這一類應用。但雙向鏈路應用也呈增長趨勢，一方面很多應用需要通信確認，另一方面雙向鏈路可以降低功耗，因為接收設備可以根據接收信號強度通知發送設備降低發射功率。另外，雙向鏈路還可以提高抗噪聲能力。

EZRadioPRO系列無線芯片

Silicon Labs公司目前有三個系列的無線芯片，即EZRadioPRO、EZRadio和EZRadioLC。其中，EZRadioPRO系列芯片性能出眾，它具有高靈敏度 (–118dBm)，最大輸出輸出功率可以達到+20dBm，因此具有業界領先的鏈路預算 (138dBm)。無線功能的高度集成大大減少了外部元件數，也降低了工作電流；豐富的片上功能，降低了系統的復雜性和成本。芯片內建天線多集算法、包處理器、喚醒定時器、電池電壓檢測等功能，使無線功能的設計和實現變得非常簡單。它適合于更遠的通信距離（大于3km），具有很好的鏈路性能，提高了數據可靠性，大大簡化了系統設計。

圖1是EZRadioPRO系列中的收發器芯片Si4432的原理框圖。可以看到，該芯片接收部分集成了低噪聲放大器、可編程增益放大器、自動增益控制電路，而可編程增益放大器的輸出信號被內部ADC轉化為數字信號，后續的信號處理均采用數字信號處理技術實現，保證了芯片工作的可靠性。要發送的數據經過數字調制器調制后，由內建的功率放大器發射出去，Si4432實現了數字調制解調器的功能，芯片內部還集成了電池電壓檢測器、溫度傳感器以及一個可供用戶使用的8位ADC。


圖1 Si4432原理框圖

天線分集—改善鏈路性能

EZRadioPRO集成的天線分集算法可以改善無線鏈路的性能。通過使用兩個天線和天線分集算法，EZRadioPRO可以選擇最佳的天線接收數據，從而獲得更優的性能。天線分集算法在分析前端碼時，比較兩個天線的接收強度，自動選擇最佳的天線。EZRadioPRO的天線分集有以下好處：1、抑制多徑衰落和天線極化效應，以改善鏈路質量；2、通過消除盲區來增加通信范圍和距離；3、因為天線分計算法是由無線芯片來實現的，所以無MCU開銷；4、節省功耗，因為相同的通信范圍可以使用較低的功率。對于一個典型系統，天線分計算法可增加+8dB~10dB的鏈路預算。圖2中示出了使用天線分集算法的典型系統。


圖2 使用天線分集算法的典型系統

使用天線分集算法可以降低功率需求。從圖3中可以看出，天線分集功能被使能時，與使用單天線的接收器相比，發射功率可以降低9.4dBm。圖中粉色曲線為單天線接收器誤報率與發射功率的關系，藍色曲線為多極天線誤報率與發射功率的關系。在這兩種情況下，誤報率都是隨著發射功率的增加而降低的。但是在相同的發射功率下，使用多極天線的接收器的誤報率要比單天線的接收器的誤報率要低得多。


圖3 使用多極天線接收器與使用單天線的接收器的對比

之所以要使用天線分集算法或多極天線，是因為環境因素能夠影響通信范圍和鏈路可靠性。主要包括三種情況：多徑衰落效應、天線極化效應、無線RF發射器或接收器移動。使用天線分集算法，就是提高天線位于一個強信號中的可能性。圖4中演示了多徑衰弱效應，假設接收器不動、發射器移動，上圖表示接收器在左側的天線可以接收到較強的信號，而右邊的天線接收不到強信號。下圖表示發射器發生移動，此時接收器的左側天線接收不到強信號，而右側天線則可以接收到強信號。很顯然，使用多極天線或天線分集算法，保證有一個天線可以接收到較強的信號，從而確保了鏈路的可靠性。


圖4 多徑衰落效應

天線分集算法是如何抑制天線極化和方向性效應的呢？圖5中，左圖中黃綠部分表示使用一個天線時的通信覆蓋范圍，右圖中的黃綠色區域表示天線與左圖中的天線方向成90度放置時的通信覆蓋范圍。可以看到，使用一個天線時，不管天線放置的方向如何，都有很大的未覆蓋范圍。而從圖6可以看出，使用兩個天線和天線分集算法時，通信覆蓋范圍大為增加，黃綠色和綠色區域都是通信覆蓋范圍，實際上是兩個成90度放置的天線的通信覆蓋范圍的疊加。通過這圖5和圖6的對照，我們可以看出，使用天線分集算法可以減弱方向極化和方向性效應的影響，擴展通信范圍。


圖5 使用一個天線時的通信覆蓋


圖6 使用兩個天線和天線分集算法時的通信覆蓋范圍

應用案例

無線氣象站


步驟1：位于屋頂的傳感器指示天氣、濕度、風向等。


步驟2：位于屋內的顯示器或網關從屋頂傳感器接收數據并顯示信息，進而決定是否使用遠程的噴灌器澆灌草坪。


步驟3：花園噴灌器接收噴灌指令，完成噴灌任務。當噴灌器打開或關閉時，可向網關反饋相關信息。

緊急救助按鈕


步驟1：緊急救助按鈕可以做成掛式或手表的形式。當老人或病患需要救助時，可以按此按鈕呼救。


步驟2：緊急按鈕連接到網關系統。網關通過調制解調器連接到呼叫中心， 呼叫中心收到信息后派急救車到呼救地點施救。

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問答選編

問：對實時性要求非常強的無線控制如何保證它的實時要求和可靠性？

答：應該要提高一次成功的概率。除了采用發射功率和靈敏度高的方案，還要注意數據速率及包長等參數的設置。

問：如何理解EZRadio系列自動選擇最佳天線？

答：EZRadioPro有一個選擇使用天線分集的寄存器，如果選擇此功能并且使用兩個天線垂直擺放，EZRadioPro會通過檢測RSSI看哪個天線的接收效果好，從而使用該天線來接收。天線的切換是實時的，只要選擇此功能，會由EZRadioPro自動處理。

問：距離要求1.5公里的前提下，無線數據可靠傳輸速率最高達到多少？

答：使用EZRadioPro產品，如果在空曠地帶要達到1.5km，數率可達8Kbps（根據不同的應用而不同）。

問：諧振電路的中心頻率偏移都可能降低其發射功率，用什么方法能改善其精度？

答：需要精確調整匹配電路，Silicon Labs會提供給客戶特定頻率的匹配值。

問：多組Si4432的點對點應用，其相互間的頻率間隔為多少？

答：頻率間隔跟所選的DEVIATION有關，一般大于2倍的DEVIATION就可以。

問：如果無線組網的話，可采用什么協議？

答：如果組網的數量不多的話，可以用Silicon Labs的EZMAC協議。

問：無線氣象站實例可實現全自動灌水，那么可以實現灌水量的控制嗎？

答：當然，利用微控制器可以實現多種此類應用。

問：無線方案的抗干擾性如何？能否用在重載機上？

答：FSK芯片抗干擾能力非常強。我們有客戶用在起重機的控制上，并且通過了FCC、EMI等認證。

問：EZRadioPRO的天線分級算法是硬件實現的么？

答：EZRadioPRO的天線分集算法是完全由硬件實現的。

High Performance Sub-GHz Wireless Chips and Solutions

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