短距離無(wú)線(xiàn)消費電子的RF前端設計

隨著(zhù)系統成本和功耗進(jìn)一步降低以及產(chǎn)品性能的提高，無(wú)線(xiàn)短距離消費電子市場(chǎng)正高速增長(cháng)。本文將向設計工程師介紹一些市場(chǎng)上出現的新趨勢和方案，并介紹RFW102芯片組的特點(diǎn)和應用。

短距離無(wú)線(xiàn)應用是指可在最遠100米范圍內傳輸數據的解決方案。無(wú)線(xiàn)短距離應用主要有以下幾種：

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN) 可替代有線(xiàn)LAN連接的高速傳輸方案(11~56Mbps)。WLAN方案在辦公室應用場(chǎng)合很普遍，而且在小型辦公室/家庭辦公(SOHO)和私人住宅等應用場(chǎng)合也越來(lái)越流行。其室內有效距離通常是100米。

個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(PAN) 適用于10米范圍內的中等傳輸率應用環(huán)境(有些PAN有時(shí)需要更遠的距離)。該方案主要針對開(kāi)放環(huán)境應用和產(chǎn)品(藍牙)。

無(wú)線(xiàn)短距離消費類(lèi)產(chǎn)品 中低速數據傳輸應用，有效范圍在30米內，該類(lèi)產(chǎn)品可能跟一些PAN應用有重疊。該類(lèi)方案一般針對封閉應用環(huán)境和產(chǎn)品，目前這類(lèi)產(chǎn)品存在很多解決方案。

射頻前端技術(shù)趨勢

由于消費類(lèi)產(chǎn)品對無(wú)線(xiàn)通信功能的需求不斷增長(cháng)，針對這些需求目前存在各種技術(shù)方案，而各種技術(shù)方案的優(yōu)越性可用下面五個(gè)關(guān)鍵指標來(lái)衡量：

成本：成本越低，應用越廣，市場(chǎng)潛力也就越大?？梢赃@么說(shuō)，當成本每降低10%，市場(chǎng)潛力將會(huì )擴大100%。

傳輸范圍：短距離無(wú)線(xiàn)方案的適用范圍一般在室內30米以?xún)取?

電源效率：無(wú)線(xiàn)設備在許多情況下是由電池供電的，因此電池使用壽命是一個(gè)關(guān)鍵指標。這一問(wèn)題將會(huì )間接地反映在成本上，因為功耗大，消費者就必須更頻繁地更換電池。即使使用可充電電池，消費者也需要更強勁的電池，以便每次充電后的使用時(shí)間盡可能長(cháng)。

服務(wù)質(zhì)量(QoS)：滿(mǎn)足數據傳輸率要求條件下提供可靠的數據鏈接。

高數據傳輸率：該參數可為無(wú)線(xiàn)消費產(chǎn)品市場(chǎng)開(kāi)辟新的應用領(lǐng)域。過(guò)去由于成本問(wèn)題而無(wú)法實(shí)現的應用，現在也可通過(guò)恰當的設計來(lái)實(shí)現。

一個(gè)無(wú)線(xiàn)方案一般由RF前端和媒體訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)兩部分組成。RF前端主要由以下幾個(gè)性能指標來(lái)衡量：

鏈接預算：鏈接預算[dB] = 輸出功率[dBm] - 靈敏度[dBm]。輸出功率是指發(fā)射時(shí)從發(fā)射器輸出的功率，靈敏度是指接收器的靈敏度。10米室內距離要求至少70dB的鏈接預算，當前的許多產(chǎn)品都滿(mǎn)足這一要求。輸出功率一般為0~10dBm，靈敏度為-80~-90dBm。

工作頻率：消費類(lèi)產(chǎn)品不能承受頻率占用的費用，最好工作在無(wú)需申請許可的ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段，供應商所使用的其它頻段還有900-928MHz (只適用于美洲大陸)和868-870MHz (歐洲的大部分地區)。

調制方案：目前的許多產(chǎn)品采用幅移鍵控(ASK)或頻移鍵控(FSK)。

擴頻方案：頻譜擴展可為工作于ISM頻段的無(wú)線(xiàn)應用實(shí)現穩定性和安全性。常用的兩種擴頻方案是跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS)，這兩種完全不同的擴頻方案都具有同樣的穩定性。

接收器/發(fā)射器/收發(fā)器：?jiǎn)喂ゆ溄邮侵该恳贿?節點(diǎn))在某一時(shí)刻要么發(fā)射(發(fā)射器)，要么接收(接收器)，但不能同時(shí)發(fā)射和接收；而雙工鏈接則意味著(zhù)每一節點(diǎn)都可同時(shí)發(fā)射和接收(收發(fā)器)。

消費類(lèi)產(chǎn)品的RF前端

無(wú)線(xiàn)短距離消費市場(chǎng)是一個(gè)龐大的市場(chǎng)，有著(zhù)各種各樣的產(chǎn)品(見(jiàn)表2)。但從消費者的角度來(lái)看，現今的產(chǎn)品還無(wú)法以合理的價(jià)格提供令人滿(mǎn)意的解決方案。

無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品廠(chǎng)商在選擇技術(shù)方案時(shí)，一般更注意成本問(wèn)題，甚至認為成本比質(zhì)量更重要。但是消費者并不能接受這種思想，他們希望無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品至少能跟低價(jià)位有線(xiàn)產(chǎn)品一樣好。因此，無(wú)論一個(gè)無(wú)線(xiàn)方案多么好，只要不能實(shí)現合理的價(jià)格，它就無(wú)法應用于消費類(lèi)產(chǎn)品；同樣，如果所用的無(wú)線(xiàn)方案不能提供跟有線(xiàn)方案同樣好的數據鏈接性能，消費者也不會(huì )滿(mǎn)意。表 1給出了改善以上討論的5個(gè)基本參數的技術(shù)要求。

因此，一個(gè)重要的問(wèn)題是找到一個(gè)超低價(jià)格的無(wú)線(xiàn)方案，并具有高性能。由于所有的無(wú)線(xiàn)方案都面臨前面所講的問(wèn)題，下面將以RFWaves公司的無(wú)線(xiàn)方案為例來(lái)討論。

RFW102收發(fā)器芯片組實(shí)現方案

圖 1描述了一種采用RFWaves公司RFW102收發(fā)器芯片組的典型應用。該方案包括兩個(gè)主要部分：RF前端和數字后端。

RF前端

RF前端采用RFW102收發(fā)器芯片組，包括RFW24、RFW488C和RFW488R三個(gè)芯片。

RFW24--完成所有的時(shí)序、放大、切換、發(fā)送和接收功能。

RFW488C--在石英基底上實(shí)現的4引腳SAW相關(guān)器(correlator)。該芯片是一個(gè)完全非差分無(wú)源器件，是DSSS擴頻和去擴頻的基本單元。他可作為橫向13位BPSK Barker碼相關(guān)器(匹配濾波器)。

RFW488R--單端口SAW諧振器，諧振頻率為488MHz，可作為系統的CW振蕩源。

除RFW102芯片組外，僅需幾個(gè)無(wú)源器件就可實(shí)現一個(gè)完整的方案，如圖 2所示。

RFWaves調制解調器具有以下特性：

工作頻率：2.4GHz，全球免許可申請頻段，采用DSSS技術(shù)。

低接收功耗：1kbps@40μA;10kbps@380μA;100kbps@3.8mA;1Mbps@38mA；

低發(fā)送功耗：1kbps@25μA;10kbps@220μA;100kbps@2.2mA;1Mbps@21mA。

待機電流：2.6μA；喚醒時(shí)間：20μS；同步時(shí)間：1μS。RFWaves收發(fā)器僅需一個(gè)比特實(shí)現同步(實(shí)現同步時(shí)間為1.2μS)；

輸出功率：+2dBm；靈敏度：-80dBm。

數據傳輸速率：最高1Mbps。

RF前端帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的三線(xiàn)數字接口，具有如下基本功能：

Tx/Rx--確定工作模式；

TxD/RxD--可發(fā)送和接收數字信號的雙向線(xiàn)；

ACT--實(shí)現待機模式，節省電能。

數字后端

RF前端接口數據線(xiàn)是一種異步串行位管線(xiàn)。由于數據采用射頻鏈接，因此必須提供檢錯/糾錯方案。為了使用低端MCU以降低總成本，MCU必須支持MAC/協(xié)議功能。因此，在RF前端和MCU之間存在一個(gè)硬件實(shí)現的接口。

如前所述，系統采用一個(gè)運行MAC/協(xié)議和應用程序的低端MCU。該MCU可視應用要求的不同而配置各種特殊接口，如USB、SPI和I/O等。由于只使用了一個(gè)MCU顯然可降低成本，并降低系統功耗。除由RFWaves合作伙伴提供的數字后端外，開(kāi)發(fā)者還可獲得協(xié)議文件及源代碼參考設計。

RFWaves整體方案

消費產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商都希望采用易于集成的設計單元，簡(jiǎn)化設計和降低風(fēng)險，并采用盡可能多的現成單元。而RF前端一般都很復雜，需要豐富的通信知識及設計技巧?；谏鲜龅氖聦?shí)，設計工程師迫切需要一個(gè)易于集成的方案，該方案將RF和通信電路作為“黑匣子”來(lái)處理，有了這個(gè)黑匣子，設計者只需了解它如何與應用系統連接即可。RFWaves的整體方案中考慮了這些設計需求和QoS問(wèn)題，前端采用13位barker DSSS方案、雙工鏈接、錯誤檢測方案，以及根據應用不同的協(xié)議變換。

超低功耗：接收和發(fā)送時(shí)的低功耗、極低待機電流、極短喚醒時(shí)間和快速獲取時(shí)間，以及可利用系統空閑時(shí)間進(jìn)入待機模式的協(xié)議。

數據傳輸率：目前RF鏈接的總帶寬為1Mbps。

距離：鏈接預算超過(guò)80dB，有效室內距離可達25m，在RF前端增加一個(gè)功率放大器可將有效范圍擴展到100米。

總系統成本低：RFWaves方案的總系統成本與低端方案相當。為進(jìn)一步降低成本，RFWaves還為PCB上的天線(xiàn)布局提供了參考設計。

應用設計實(shí)例

下面將以采用RFWaves RF前端的無(wú)線(xiàn)游戲鍵盤(pán)/操作手柄的設計為例講述設計要求和步驟。

游戲鍵盤(pán)是附加到游戲平臺(PS2、Xbox或Gamecube)或PC上的一種游戲控制外設，最近幾年無(wú)線(xiàn)游戲控制鍵盤(pán)和操作手柄時(shí)常非?；鸨?。

基本要求

低成本--每個(gè)消費產(chǎn)品都有此要求；

低延遲--極快的響應時(shí)間，因為它將用于高速游戲；

傳輸率--相對較高的數據傳輸率；

多設備共存--最高16個(gè)設備可在同一區域同時(shí)工作；

一個(gè)游戲平臺可支持4個(gè)控制鍵盤(pán)；

雙工鏈接--返回游戲平臺發(fā)出的反饋信號；

QoS--在該實(shí)例中尤其重要，如果產(chǎn)生游戲平臺不能接受的任何操作都會(huì )影響游戲者的娛樂(lè )感受。

設計步驟

1. 選擇由RFWaves合作伙伴之一提供的合適數字后端(I/O端口、RAM和ROM等)。根據不同的應用選擇一個(gè)不同的數字后端。

2.了解游控制鍵盤(pán)和游戲平臺之間的數據傳輸方法。

3.了解數據傳輸方法后，采用由RFWaves提供的正確協(xié)議作為參考。

4. 在MCU上實(shí)施MAC/協(xié)議和應用軟件。

5. 調試

6. 建立原型樣機。

本文總結：

無(wú)線(xiàn)消費應用是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，而且每年都以飛快的速度增長(cháng)。但是，很多開(kāi)發(fā)商在這方面遭遇過(guò)失敗，并且缺乏應用經(jīng)驗。此外，與有線(xiàn)產(chǎn)品相比，在價(jià)格和性能上現在的很多無(wú)線(xiàn)方案還存在不足。隨著(zhù)更多的低成本、高性能短距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案的推出，相信將會(huì )有更多、更好的無(wú)線(xiàn)消費產(chǎn)品可供選擇，無(wú)線(xiàn)消費產(chǎn)品市場(chǎng)也將不斷擴大。