用混合信號設計概念提升短距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統性能

我們已經(jīng)談?wù)摕o(wú)線(xiàn)傳輸好幾年了，但是假如你仔細觀(guān)察，就會(huì )發(fā)現其實(shí)我們已經(jīng)生活在一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸的世界了。在九十年代初期，移動(dòng)電話(huà)主要是由商業(yè)人士使用，但現在從年輕學(xué)子到老年人，幾乎人手一部移動(dòng)電話(huà)。

　　 移動(dòng)電話(huà)的大量普及只是我們過(guò)渡到一個(gè)無(wú)線(xiàn)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(zhù)在越來(lái)越多的書(shū)店、咖啡廳以及其它公共場(chǎng)所不斷浮現出的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )熱點(diǎn)所帶來(lái)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用的普及。更讓我們驚訝的是，這樣的技術(shù)已經(jīng)逐漸擴散到一些原本我們認為比較不明顯屬于是無(wú)線(xiàn)傳輸的應用領(lǐng)域范疇，例如遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)以及應用在電視機頂盒及音響設備上的遙控。

　　 很多這種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)傳輸應用所在頻段位于260~470MHz之間，屬于無(wú)須牌照的超高頻(UHF)頻段。這種類(lèi)型的設備跟它們的應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?。許多此類(lèi)的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸裝置是使用傳統的模擬射頻技術(shù)，然后運行在屬于無(wú)須牌照的UHF頻段上，它們在應用最新的混合信號設計技術(shù)之后，將能顯著(zhù)改善一些特性。雖然每一種短距離傳輸系統都有其各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，但是一般而言，它們在運用最新的技術(shù)與概念之后，普遍在延長(cháng)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。本文將對現短距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統進(jìn)行概略性介紹，并引進(jìn)混合信號的設計理念來(lái)改善這些系統。

　　 參考系統

　　 短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用于許多日常生活的應用中，如遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)、胎壓監測系統(TPMS)、汽車(chē)防盜裝置、遙控器、家庭安保及自動(dòng)化、車(chē)庫門(mén)遙控開(kāi)關(guān)以及其它許多通過(guò)無(wú)線(xiàn)電來(lái)遙控的產(chǎn)品。雖然這些應用不同，但是對于短距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統的基本模塊圖來(lái)說(shuō)都是很相近的，如圖1所示。

　　 發(fā)射器一般來(lái)說(shuō)就是靠電池來(lái)工作的便攜式裝置，而且具備一些按鈕或是鍵盤(pán)作為輸入工具。舉例來(lái)說(shuō)，在遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)系統中，整個(gè)發(fā)射器系統就是一個(gè)通過(guò)CR2032電池以及作為輸入裝置的按鈕所構成的遙控鑰匙，由此來(lái)開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)及后車(chē)廂。這個(gè)按鈕輸入裝置連接在一個(gè)會(huì )送出一連串數字信號給射頻發(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)調節器，利用外置式功率晶體管來(lái)啟動(dòng)以及關(guān)閉聲表面波諧振器。而在接收器端，這個(gè)系統包括了一個(gè)模擬射頻接收器、微控制器以及一些通過(guò)電池或者是其它電源來(lái)驅動(dòng)可作為控制輸出的激發(fā)器。繼續之前遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)的例子，接收器是通過(guò)使用線(xiàn)性穩壓的汽車(chē)電池來(lái)作為動(dòng)力，并且有一個(gè)射頻接收器將幅移鍵控(ASK)的信號解調成一連串數字信號，這些信號通過(guò)微控制器依次譯碼成為輸出信號，進(jìn)而達到上鎖或解鎖車(chē)門(mén)的目的。這類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)傳輸代表著(zhù)許多目前已經(jīng)存在的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸應用，將會(huì )在本文中被作為參考。

圖1：短距離無(wú)線(xiàn)傳輸系統的典型方塊圖

　　 改善無(wú)線(xiàn)傳輸距離

　　 在無(wú)線(xiàn)傳輸系統中，最被期待的特性之一就是長(cháng)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。然而政府的法令規范限制了傳輸系統的發(fā)射功率，其目的在于使不同的系統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)以及歐洲電信標準協(xié)會(huì )(ETSI)分別在其各自所處地區制訂了輻射功率標準，并針對那些不管是有意或是無(wú)意的無(wú)線(xiàn)電裝置信號傳送給予限制。這些限制決定了最大的發(fā)射功率，所以實(shí)際上對于增加無(wú)線(xiàn)傳輸距離的可行方法僅剩下增加接收器靈敏度一種。

　　 假如仔細研究我們的射頻參考系統，我們可以發(fā)現建構于聲表面波(SAW)諧振器之上的射頻發(fā)射器的起始頻率準確度很差，其頻率誤差范圍約為±150千赫，同時(shí)我們也發(fā)現因為溫度的關(guān)系也使其頻率穩定性很差。這導致發(fā)射器載波頻率補償較大，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(lái)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(zhù)地改善發(fā)射器的頻率準確度，進(jìn)而通過(guò)降低接收的頻道濾波器的頻寬來(lái)改善傳送的距離。另外一個(gè)選擇是用帶有集成DSP或是有數字處理能力的解調器的混合信號射頻接收器來(lái)取代標準的模擬射頻接收器。這種混合信號接收器方法的好處是，通過(guò)使用最小化頻寬的有數字處理能力的濾波器來(lái)追蹤基于聲表面波(SAW)的發(fā)射器頻率補償，并因此來(lái)降低噪聲。因為CMOS技術(shù)的持續改善以及規模經(jīng)濟的緣故，混合信號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(xiàn)分集。這些技術(shù)從不同天線(xiàn)的射頻信號中，使用其額外的振幅及/或相位信息來(lái)改進(jìn)接收器的靈敏度?；旌闲盘柤呻娐芬驗榫哂刑幚韥?lái)自所有天線(xiàn)大量信息的能力，因而被廣泛運用在這些接收器上。

　　 降低功率消耗

　　 在任何通訊系統中，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(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)系統的案例中，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(zhù)消耗較少的汽車(chē)電池能量，這一點(diǎn)當汽車(chē)處于停車(chē)或是閑置不用時(shí)，顯得尤為重要。多數的汽車(chē)制造商，對于在車(chē)內的遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)接收系統，所需的平均電流約定義在小于2毫安。目前現有的解決方案是通過(guò)將接收器設定在一個(gè)較低的占空比輪詢(xún)(Polling)或采樣模式，來(lái)達到低平均電流的要求。

圖2：通過(guò)調整占空比輪詢(xún)方式來(lái)降低平均電流消耗值。

　　 圖2顯示了通過(guò)讓接收器在一個(gè)低占空比的模式之下來(lái)降低平均消耗電流的輪詢(xún)基本概念。大多數時(shí)間，接收器是處于休眠模式，僅維持著(zhù)足夠記錄休眠時(shí)期(區域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(區域2)，在這里模擬射頻接收器會(huì )開(kāi)始工作，并通過(guò)觀(guān)察輸入的接收信號強度指示(RSSI)水平并且與預先設定的門(mén)限值做比較，來(lái)決定是否有已進(jìn)來(lái)的傳送信號。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。