高效Sub-GHz無(wú)線(xiàn)芯片應用設計方案

當今世界，無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品早已無(wú)處不在。在我們周?chē)植贾?zhù)大量的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品和應用系統，如氣象站、汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入系統（RKE）、噴灌系統、照明系統、智能家居、自動(dòng)抄表等等。

　　在無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域，1GHz以下（Sub-GHz）頻段的無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)擁有巨大且日益增長(cháng)的商業(yè)機會(huì )。以汽車(chē)、消費電子市場(chǎng)為例：僅汽車(chē)的無(wú)鑰匙進(jìn)入系統，每年就有1.5億套產(chǎn)品市場(chǎng)；而消費類(lèi)電子產(chǎn)品的市場(chǎng)容量每年都有上億套。此外，近年來(lái)興起的家庭自動(dòng)化和自動(dòng)抄表應用也有很高的市場(chǎng)需求。巨大的商機使得無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)非常具有吸引力。

　　無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品之所以具有廣泛的應用，很重要的一點(diǎn)就是現代無(wú)線(xiàn)器件降低了產(chǎn)品設計的門(mén)檻?，F代無(wú)線(xiàn)器件的集成度越來(lái)越高，多功能部件如調制解調、天線(xiàn)調諧、自動(dòng)頻率控制等，都能集成在一個(gè)無(wú)線(xiàn)芯片內，使無(wú)線(xiàn)功能可以很容易地加入到最終產(chǎn)品中。設計門(mén)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(mén)檻的降低使越來(lái)越多的工程師能進(jìn)入無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域，也使越來(lái)越多的產(chǎn)品能加入無(wú)線(xiàn)功能，從而催生了更多的無(wú)線(xiàn)應用，例如游戲控制器、傳感器、數據記錄儀等。在現有的無(wú)線(xiàn)應用中，大規模的應用屬于單向鏈路應用，即一方只發(fā)射，另一方只接收，像汽車(chē)的無(wú)鑰匙進(jìn)入系統、遙控器和傳感器就是這一類(lèi)應用。但雙向鏈路應用也呈增長(cháng)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(fā)送設備降低發(fā)射功率。另外，雙向鏈路還可以提高抗噪聲能力。

　　EZRadioPRO系列無(wú)線(xiàn)芯片

　　Silicon Labs公司目前有三個(gè)系列的無(wú)線(xiàn)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(yè)界領(lǐng)先的鏈路預算(138dBm)。無(wú)線(xiàn)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(xiàn)多集算法、包處理器、喚醒定時(shí)器、電池電壓檢測等功能，使無(wú)線(xiàn)功能的設計和實(shí)現變得非常簡(jiǎn)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(jiǎn)化了系統設計。

　　圖1是EZRadioPRO系列中的收發(fā)器芯片Si4432的原理框圖?？梢钥吹?，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(dòng)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(shù)實(shí)現，保證了芯片工作的可靠性。要發(fā)送的數據經(jīng)過(guò)數字調制器調制后，由內建的功率放大器發(fā)射出去，Si4432實(shí)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(gè)可供用戶(hù)使用的8位ADC。

圖1 Si4432原理框圖

　　天線(xiàn)分集―改善鏈路性能

　　EZRadioPRO集成的天線(xiàn)分集算法可以改善無(wú)線(xiàn)鏈路的性能。通過(guò)使用兩個(gè)天線(xiàn)和天線(xiàn)分集算法，EZRadioPRO可以選擇最佳的天線(xiàn)接收數據，從而獲得更優(yōu)的性能。天線(xiàn)分集算法在分析前端碼時(shí)，比較兩個(gè)天線(xiàn)的接收強度，自動(dòng)選擇最佳的天線(xiàn)。EZRadioPRO的天線(xiàn)分集有以下好處：1、抑制多徑衰落和天線(xiàn)極化效應，以改善鏈路質(zhì)量；2、通過(guò)消除盲區來(lái)增加通信范圍和距離；3、因為天線(xiàn)分計算法是由無(wú)線(xiàn)芯片來(lái)實(shí)現的，所以無(wú)MCU開(kāi)銷(xiāo)；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(gè)典型系統，天線(xiàn)分計算法可增加+8dB~10dB的鏈路預算。圖2中示出了使用天線(xiàn)分集算法的典型系統。

圖2 使用天線(xiàn)分集算法的典型系統

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

圖3 使用多極天線(xiàn)接收器與使用單天線(xiàn)的接收器的對比

　　之所以要使用天線(xiàn)分集算法或多極天線(xiàn)，是因為環(huán)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(xiàn)極化效應、無(wú)線(xiàn)RF發(fā)射器或接收器移動(dòng)。使用天線(xiàn)分集算法，就是提高天線(xiàn)位于一個(gè)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(dòng)、發(fā)射器移動(dòng)，上圖表示接收器在左側的天線(xiàn)可以接收到較強的信號，而右邊的天線(xiàn)接收不到強信號。下圖表示發(fā)射器發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)接收器的左側天線(xiàn)接收不到強信號，而右側天線(xiàn)則可以接收到強信號。很顯然，使用多極天線(xiàn)或天線(xiàn)分集算法，保證有一個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)分集算法是如何抑制天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)時(shí)的通信覆蓋范圍，右圖中的黃綠色區域表示天線(xiàn)與左圖中的天線(xiàn)方向成90度放置時(shí)的通信覆蓋范圍?？梢钥吹?，使用一個(gè)天線(xiàn)時(shí)，不管天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)和天線(xiàn)分集算法時(shí)，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(shí)際上是兩個(gè)成90度放置的天線(xiàn)的通信覆蓋范圍的疊加。通過(guò)這圖5和圖6的對照，我們可以看出，使用天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)時(shí)的通信覆蓋

圖6 使用兩個(gè)天線(xiàn)和天線(xiàn)分集算法時(shí)的通信覆蓋范圍

　　應用案例

　　無(wú)線(xiàn)氣象站

　　步驟1：位于屋頂的傳感器指示天氣、濕度、風(fēng)向等。

　　步驟2：位于屋內的顯示器或網(wǎng)關(guān)從屋頂傳感器接收數據并顯示信息，進(jìn)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(wù)。當噴灌器打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，可向網(wǎng)關(guān)反饋相關(guān)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(shí)，可以按此按鈕呼救。

　　步驟2：緊急按鈕連接到網(wǎng)關(guān)系統。網(wǎng)關(guān)通過(guò)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(chē)到呼救地點(diǎn)施救。