利用混合信號(hào)設(shè)計(jì)概念提升短距離無線傳輸系統(tǒng)的性能

我們已經(jīng)談?wù)摕o線傳輸好幾年了，但是假如你仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)我們已經(jīng)生活在一個(gè)無線傳輸?shù)氖澜缌恕Ｔ诰攀甏跗冢苿?dòng)電話主要是由商業(yè)人士使用，但現(xiàn)在從年輕學(xué)子到老年人，幾乎人手一部移動(dòng)電話。移動(dòng)電話的大量普及只是我們過渡到一個(gè)無線傳輸世界較為明顯的幾個(gè)例證之一。另外一個(gè)重要的明顯例證就是伴隨著在越來越多的書店、咖啡廳以及其它公共場所不斷浮現(xiàn)出的無線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)所帶來的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及。更讓我們驚訝的是，這樣的技術(shù)已經(jīng)逐漸擴(kuò)散到一些原本我們認(rèn)為比較不明顯屬于是無線傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域范疇，例如遙控車門開關(guān)(RKE)以及應(yīng)用在電視機(jī)頂盒及音響設(shè)備上的遙控。

很多這種類型的無線傳輸應(yīng)用所在頻段位于260~470MHz之間，屬于無須牌照的超高頻(UHF)頻段。這種類型的設(shè)備跟它們的應(yīng)用之所以能夠逐漸融入到我們的生活之中，一個(gè)主要的因素在于它們?yōu)槲覀兊纳钐峁┝烁啾憷ＴS多此類的短距離無線傳輸裝置是使用傳統(tǒng)的模擬射頻技術(shù)，然后運(yùn)行在屬于無須牌照的UHF頻段上，它們在應(yīng)用最新的混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)之后，將能顯著改善一些特性。雖然每一種短距離傳輸系統(tǒng)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，但是一般而言，它們在運(yùn)用最新的技術(shù)與概念之后，普遍在延長傳輸距離、增加電池壽命以及減少便攜式裝置尺寸等幾個(gè)方面都得到了改善。本文將對(duì)現(xiàn)短距離無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行概略性介紹，并引進(jìn)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)理念來改善這些系統(tǒng)。

參考系統(tǒng)

短距離無線傳輸技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用于許多日常生活的應(yīng)用中，如遙控車門開關(guān)(RKE)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)、汽車防盜裝置、遙控器、家庭安保及自動(dòng)化、車庫門遙控開關(guān)以及其它許多通過無線電來遙控的產(chǎn)品。雖然這些應(yīng)用不同，但是對(duì)于短距離無線傳輸系統(tǒng)的基本模塊圖來說都是很相近的，如圖1所示。

發(fā)射器一般來說就是靠電池來工作的便攜式裝置，而且具備一些按鈕或是鍵盤作為輸入工具。舉例來說，在遙控車門開關(guān)(RKE)系統(tǒng)中，整個(gè)發(fā)射器系統(tǒng)就是一個(gè)通過CR2032電池以及作為輸入裝置的按鈕所構(gòu)成的遙控鑰匙，由此來開關(guān)車門及后車廂。這個(gè)按鈕輸入裝置連接在一個(gè)會(huì)送出一連串數(shù)字信號(hào)給射頻發(fā)射器的微控制器(MCU)上。這個(gè)射頻發(fā)射器是一個(gè)典型的幅移鍵控(ASK)調(diào)節(jié)器，利用外置式功率晶體管來啟動(dòng)以及關(guān)閉聲表面波諧振器。而在接收器端，這個(gè)系統(tǒng)包括了一個(gè)模擬射頻接收器、微控制器以及一些通過電池或者是其它電源來驅(qū)動(dòng)可作為控制輸出的激發(fā)器。繼續(xù)之前遙控車門開關(guān)(RKE)的例子，接收器是通過使用線性穩(wěn)壓的汽車電池來作為動(dòng)力，并且有一個(gè)射頻接收器將幅移鍵控(ASK)的信號(hào)解調(diào)成一連串?dāng)?shù)字信號(hào)，這些信號(hào)通過微控制器依次譯碼成為輸出信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到上鎖或解鎖車門的目的。這類型的無線傳輸代表著許多目前已經(jīng)存在的短距離無線傳輸應(yīng)用，將會(huì)在本文中被作為參考。

圖1：短距離無線傳輸系統(tǒng)的典型方塊圖

改善無線傳輸距離

在無線傳輸系統(tǒng)中，最被期待的特性之一就是長距離傳輸。兩個(gè)最實(shí)用的方法就是增加發(fā)射器的功率以及改善接收器的靈敏度。然而政府的法令規(guī)范限制了傳輸系統(tǒng)的發(fā)射功率，其目的在于使不同的系統(tǒng)能夠在最少的干擾之下，同時(shí)共享相同的頻段。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)以及歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)分別在其各自所處地區(qū)制訂了輻射功率標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)那些不管是有意或是無意的無線電裝置信號(hào)傳送給予限制。這些限制決定了最大的發(fā)射功率，所以實(shí)際上對(duì)于增加無線傳輸距離的可行方法僅剩下增加接收器靈敏度一種。

假如仔細(xì)研究我們的射頻參考系統(tǒng)，我們可以發(fā)現(xiàn)建構(gòu)于聲表面波(SAW)諧振器之上的射頻發(fā)射器的起始頻率準(zhǔn)確度很差，其頻率誤差范圍約為±150千赫，同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)因?yàn)闇囟鹊年P(guān)系也使其頻率穩(wěn)定性很差。這導(dǎo)致發(fā)射器載波頻率補(bǔ)償較大，進(jìn)而迫使接收器具備較寬的頻道濾波器。大的頻寬使得多余的噪聲進(jìn)入系統(tǒng)中，進(jìn)而降低了整體的靈敏度以及傳輸距離。

一個(gè)可能的解決方案是采用基于晶振的鎖相回路(PLL)來取代基于聲表面波(SAW)的發(fā)射器。這個(gè)解決方案可以顯著地改善發(fā)射器的頻率準(zhǔn)確度，進(jìn)而通過降低接收的頻道濾波器的頻寬來改善傳送的距離。另外一個(gè)選擇是用帶有集成DSP或是有數(shù)字處理能力的解調(diào)器的混合信號(hào)射頻接收器來取代標(biāo)準(zhǔn)的模擬射頻接收器。這種混合信號(hào)接收器方法的好處是，通過使用最小化頻寬的有數(shù)字處理能力的濾波器來追蹤基于聲表面波(SAW)的發(fā)射器頻率補(bǔ)償，并因此來降低噪聲。因?yàn)镃MOS技術(shù)的持續(xù)改善以及規(guī)模經(jīng)濟(jì)的緣故，混合信號(hào)射頻接收器的成本比模擬射頻接收器的成本更低。另一個(gè)改善接收器靈敏度的方是就是使用天線分集。這些技術(shù)從不同天線的射頻信號(hào)中，使用其額外的振幅及/或相位信息來改進(jìn)接收器的靈敏度。混合信號(hào)集成電路因?yàn)榫哂刑幚韥碜运刑炀€大量信息的能力，因而被廣泛運(yùn)用在這些接收器上。

降低功率消耗

在任何通訊系統(tǒng)中，如何增加電池的壽命或是降低功率消耗，一直是研究的重點(diǎn)。在我們的遙控車門開關(guān)(RKE)系統(tǒng)的案例中，降低發(fā)射器的功率消耗就是等于增加密鑰的電池壽命。降低接收器的功率消耗，意味著消耗較少的汽車電池能量，這一點(diǎn)當(dāng)汽車處于停車或是閑置不用時(shí)，顯得尤為重要。多數(shù)的汽車制造商，對(duì)于在車內(nèi)的遙控車門開關(guān)(RKE)接收系統(tǒng)，所需的平均電流約定義在小于2毫安。目前現(xiàn)有的解決方案是通過將接收器設(shè)定在一個(gè)較低的占空比輪詢(Polling)或采樣模式，來達(dá)到低平均電流的要求。

圖2：通過調(diào)整占空比輪詢方式來降低平均電流消耗值。

圖2顯示了通過讓接收器在一個(gè)低占空比的模式之下來降低平均消耗電流的輪詢基本概念。大多數(shù)時(shí)間，接收器是處于休眠模式，僅維持著足夠記錄休眠時(shí)期(區(qū)域1)所需的最小電流。它會(huì)周期性的進(jìn)入一個(gè)采樣模式(區(qū)域2)，在這里模擬射頻接收器會(huì)開始工作，并通過觀察輸入的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)水平并且與預(yù)先設(shè)定的門限值做比較，來決定是否有已進(jìn)來的傳送信號(hào)。在這個(gè)例子中，發(fā)射器將同一信息包傳送了兩次(傳送接收率為二)，同時(shí)調(diào)整接收器的采樣和休眠時(shí)間的選擇，確保使接收器至少可以在兩次傳送信息包期間至少可以采樣到一次，從而避免漏失掉任何信息包。

假如輸入的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)超過了預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，模擬射頻接收器將會(huì)開始運(yùn)行微控制單元，來進(jìn)一步處理進(jìn)來的信號(hào)(區(qū)域3)。但是這種方法有一個(gè)問題，就是每次當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)超過了預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，他并不會(huì)檢查這些進(jìn)來的信號(hào)是不是從預(yù)期的發(fā)射器所來的，就直接喚醒了外置的微控制單元。而混合信號(hào)集成電路則有著信息包或是地址證明，所以在中斷并喚醒微控制單元(區(qū)域4)之前，他會(huì)確認(rèn)傳送信號(hào)對(duì)于接收器而言，是否屬于預(yù)期中的？如此一來，將可節(jié)省一部份功率。這對(duì)于那些需要長時(shí)間將車停在諸如機(jī)場等忙碌且擁擠的停車場等應(yīng)用來說，能夠切實(shí)節(jié)省功率。

表1：針對(duì)RKE發(fā)射器所做的一個(gè)電池壽命計(jì)算范例。

在傳輸器部分，主要目標(biāo)便是要極大化電池壽命，可以通過采用具有低操作電壓和低漏電流的混合信號(hào)IC達(dá)成此目標(biāo)。表1為計(jì)算某假設(shè)的RKE發(fā)射器的電池壽命的范例，此發(fā)射器具有15 mA傳輸電流、在數(shù)據(jù)速率2.4 kbps時(shí)的信息包大小為136位、發(fā)射重復(fù)率2，并且假設(shè)每天會(huì)按壓按鍵20次，使用容量為210ma/hr的CR2032鈕扣型電池，且總泄漏率為2uA/H (17.52 mAH/yr)。在此范例中，此電池壽命超過10年以上，二且受限于來自休眠模式的漏電流及發(fā)射器的漏電流，以及電池本身的漏電流。為減少漏電，發(fā)射電路僅在按鍵按壓后才會(huì)啟動(dòng)，且在發(fā)射后必需自動(dòng)斷電。使用混合信號(hào)技術(shù)能輕易實(shí)現(xiàn)此按鍵按壓喚醒的特性，使用大型的CMOS開關(guān)能實(shí)質(zhì)連接及切斷發(fā)射器電壓至電池或接地的連結(jié)，從而降低漏電流。

另一個(gè)設(shè)計(jì)低功率發(fā)射器的關(guān)鍵因素為最大化功率放大器的功效。其中特別適用于混合信號(hào)技術(shù)的技巧之一，即是通過使用片上變?nèi)萜?varactor)達(dá)到PCB回路天線的共振，從而最大化功效。在IC中，此變?nèi)萜饕话憔褪羌訖?quán)二進(jìn)制數(shù)組的電容器，其由一系列的CMOS開關(guān)啟動(dòng)或關(guān)閉，以提供數(shù)字控制和/或可編程能力。模擬變?nèi)萜鳠o法進(jìn)行編程，因此需要使用一些電路和電流以實(shí)現(xiàn)此變?nèi)萜鞯钠珘骸?

降低系統(tǒng)成本

相較于傳統(tǒng)的模擬RF設(shè)計(jì)，混合信號(hào)整合設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一便是其高度集成的能力，從而節(jié)省對(duì)外部元件的需求。在許多情況中，如Silicon Laboratories產(chǎn)品所示，混合信號(hào)設(shè)計(jì)能較傳統(tǒng)模擬RF解決方案大幅減少無線系統(tǒng)的線路板面積及外部材料成本，且同時(shí)達(dá)到最佳效能。現(xiàn)在的混合信號(hào)架構(gòu)集成了所有包括高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在內(nèi)的前端模擬電路和數(shù)字后端處理器，從而減少對(duì)外部元件的需求。傳統(tǒng)的模擬RF接收器需要芯片外濾波器以進(jìn)行信道濾波，然而混合信號(hào)幾乎完全是在數(shù)字電路中執(zhí)行此濾波功能，包括尖銳的陡降、大型的衰減和可編程性都能以CMOS晶體管輕易實(shí)現(xiàn)。高集成程度不僅能節(jié)省BOM成本，外部元器件的減少更能提升無線系統(tǒng)的可制造性，且進(jìn)一步提升生產(chǎn)良率，而這更是會(huì)對(duì)產(chǎn)品成本造成直接影響。

結(jié)論

對(duì)于短距離無線傳輸系統(tǒng)而言，使用混合信號(hào)整合電路的獨(dú)特設(shè)計(jì)技術(shù)能達(dá)到實(shí)質(zhì)的改善。這些集成型電路在同一基板上結(jié)合了模擬和數(shù)字電路，通過使用數(shù)字技術(shù)補(bǔ)償模擬的缺點(diǎn)，可顯著改善僅有模擬電路的方案的效能。

Silicon Laboratories所提供的許多混合信號(hào)電路也包含強(qiáng)大的DSP引擎和數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，對(duì)接收到的RF信號(hào)能執(zhí)行信號(hào)處理功能，從而大幅降低外部微控制器的工作負(fù)荷。產(chǎn)品范例為EZRadio和EZRadioPRO無線產(chǎn)品系列，該系列使用上述混合信號(hào)技術(shù)以擴(kuò)展無線傳輸距離、增加電池壽命，并降低用于短距離無線通訊系統(tǒng)中的便攜式裝置的成本和體積。