利用混合信號設(shè)計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，但是假如你仔細觀察，就會發(fā)現(xiàn)其實我們已經(jīng)生活在一個無線傳輸?shù)氖澜缌恕Ｔ诰攀甏跗冢苿与娫捴饕怯缮虡I(yè)人士使用，但現(xiàn)在從年輕學(xué)子到老年人，幾乎人手一部移動電話。移動電話的大量普及只是我們過渡到一個無線傳輸世界較為明顯的幾個例證之一。另外一個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)逐漸擴散到一些原本我們認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)用最新的混合信號設(shè)計技術(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)點及缺點，但是一般而言，它們在運用最新的技術(shù)與概念之后，普遍在延長傳輸距離、增加電池壽命以及減少便攜式裝置尺寸等幾個方面都得到了改善。本文將對現(xiàn)短距離無線傳輸系統(tǒng)進行概略性介紹，并引進混合信號的設(shè)計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，整個發(fā)射器系統(tǒng)就是一個通過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。這個按鈕輸入裝置連接在一個會送出一連串數(shù)字信號給射頻發(fā)射器的微控制器(MCU)上。這個射頻發(fā)射器是一個典型的幅移鍵控(ASK)調(diào)節(jié)器，利用外置式功率晶體管來啟動以及關(guān)閉聲表面波諧振器。而在接收器端，這個系統(tǒng)包括了一個模擬射頻接收器、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力，并且有一個射頻接收器將幅移鍵控(ASK)的信號解調(diào)成一連串?dāng)?shù)字信號，這些信號通過微控制器依次譯碼成為輸出信號，進而達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。兩個最實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，同時共享相同的頻段。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)以及歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)分別在其各自所處地區(qū)制訂了輻射功率標(biāo)準(zhǔn)，并針對那些不管是有意或是無意的無線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，所以實際上對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，同時我們也發(fā)現(xiàn)因為溫度的關(guān)系也使其頻率穩(wěn)定性很差。這導(dǎo)致發(fā)射器載波頻率補償較大，進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入系統(tǒng)中，進而降低了整體的靈敏度以及傳輸距離。

一個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。這個解決方案可以顯著地改善發(fā)射器的頻率準(zhǔn)確度，進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)射器頻率補償，并因此來降低噪聲。因為CMOS技術(shù)的持續(xù)改善以及規(guī)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中，使用其額外的振幅及/或相位信息來改進接收器的靈敏度。混合信號集成電路因為具有處理來自所有天線大量信息的能力，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(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。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，這一點當(dāng)汽車處于停車或是閑置不用時，顯得尤為重要。多數(shù)的汽車制造商，對于在車內(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)定在一個較低的占空比輪詢(Polling)或采樣模式，來達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)時間，接收器是處于休眠模式，僅維持著足夠記錄休眠時期(區(qū)域1)所需的最小電流。它會周期性的進入一個采樣模式(區(qū)域2)，在這里模擬射頻接收器會開始工作，并通過觀察輸入的接收信號強度指示(RSSI)水平并且與預(yù)先設(shè)定的門限值做比較，來決定是否有已進來的傳送信號。在這個例子中，發(fā)射器將同一信息包傳送了兩次(傳送接收率為二)，同時調(diào)整接收器的采樣和休眠時間的選擇，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強度指示(RSSI)超過了預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時，模擬射頻接收器將會開始運行微控制單元，來進一步處理進來的信號(區(qū)域3)。但是這種方法有一個問題，就是每次當(dāng)接收信號強度指示(RSSI)超過了預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時，他并不會檢查這些進來的信號是不是從預(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，他會確認傳送信號對于接收器而言，是否屬于預(yù)期中的？如此一來，將可節(jié)省一部份功率。這對于那些需要長時間將車停在諸如機場等忙碌且擁擠的停車場等應(yīng)用來說，能夠切實節(jié)省功率。

表1：針對RKE發(fā)射器所做的一個電池壽命計算范例。

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IC達成此目標(biāo)。表1為計算某假設(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啟動，且在發(fā)射后必需自動斷電。使用混合信號技術(shù)能輕易實現(xiàn)此按鍵按壓喚醒的特性，使用大型的CMOS開關(guān)能實質(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。

另一個設(shè)計低功率發(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技術(shù)的技巧之一，即是通過使用片上變?nèi)萜?varactor)達到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)二進制數(shù)組的電容器，其由一系列的CMOS開關(guān)啟動或關(guān)閉，以提供數(shù)字控制和/或可編程能力。模擬變?nèi)萜鳠o法進行編程，因此需要使用一些電路和電流以實現(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，混合信號整合設(shè)計的主要優(yōu)點之一便是其高度集成的能力，從而節(jié)省對外部元件的需求。在許多情況中，如Silicon Laboratories產(chǎn)品所示，混合信號設(shè)計能較傳統(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，且同時達到最佳效能。現(xiàn)在的混合信號架構(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行信道濾波，然而混合信號幾乎完全是在數(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，且進一步提升生產(chǎn)良率，而這更是會對產(chǎn)品成本造成直接影響。

結(jié)論

對于短距離無線傳輸系統(tǒng)而言，使用混合信號整合電路的獨特設(shè)計技術(shù)能達到實質(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)補償模擬的缺點，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電路也包含強大的DSP引擎和數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，對接收到的RF信號能執(zhí)行信號處理功能，從而大幅降低外部微控制器的工作負荷。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技術(shù)以擴展無線傳輸距離、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。