10615@52RD_突破低功耗RF系统设计的瓶颈

1、突破低功耗RF系统设计的瓶颈2010年05月27日作者：Louis E. Frenzel 在任何产品中增加无线连接功能都不是件容易的事。然而，即使在某种无线解决方案看起来不起作用的时候，也仍可能存在可用的方案，并以合理的成本在产品中增加意想不到的价值和灵活性。但如果你不是无线工程师该怎么办？不用担心，因为在许多情况下，无线芯片和模块公司能帮助你轻松实现这种无线连接。 选择一种无线技术 表1是一份详尽的可用无线技术列表。这些技术都是已经实际应用验证过的，并且可以提供芯片或模块。它们都不需要许可证，因为大部分工作在免许可的频段。 一些无线标准为了满足特定应用要求而具有相当复杂的协议。例如，Wi-F

2、i 802.11是专门针对局域网(LAN)连接设计的，与以太网连接相对比较容易。除了超宽带(UWB)和60GHz标准外，Wi-Fi的速度也是最快的。芯片或模块形式的Wi-Fi已经得到广泛应用，但它很复杂，而且功耗很大。 ZigBee对工业和商业监视与控制来说是一种很棒的无线技术。在需要监视或控制大网络节点的场合，ZigBee的网状网功能使得ZigBee是一种很好的选择。ZigBee是一种复杂的协议，可以处理一些复杂的操作。它的基础是IEEE 802.15.4标准，但这个标准不包括网状网或其它特性，比较适合复杂性较低的项目。 如果你需要简单一些的技术，可以试试使用433MHz或915MHz芯片或

3、模块的工业、科学和医疗(ISM)频段产品。这些产品要求你创建自己的协议。一些供应商为协议创建提供了软件工具。这是一种很好的方式，因为你可以针对实际需求优化设计，而不必去适应某些过分复杂的现有协议。 对于要求可靠的很长距离应用，可以考虑采用机器到机器(M2M)技术。这些蜂窝电话模块使用现成的蜂窝网络数据服务，如GSM网络中的GPRS或EDGE，或CDMA2000网络的1xRTT和EV-DO。你需要自己设计接口，并与运营商或中间公司签约，由它们负责蜂窝连接的建立和管理。虽然比较昂贵，但这种技术具有较高的可靠性，并且可以覆盖更远的距离。 赛普拉斯半导体公司专有的WirelessUSB技术工作在2.4

4、GHz频段，主要用于像键盘和鼠标等人机界面设备(HID)。WirelessUSB技术可以提供62.5kbps的数据速率，覆盖范围为10米至50米。 Z-Wave是Sigma Design Zensys公司的专有标准，主要用于家庭自动化设备，工作频段在美国是908.42MHz，在欧洲是868.42MHz。它能在约30米的范围内提供9,600bps或40kbps的数据速率。这种技术也具有网状网功能。 创建还是购买？ 在增加无线功能时决定是创建还是购买很重要，这通常与经验有关。当经验较少时，最好购买现成的模块或电路板。如果有丰富的高频或射频经验，可以考虑自己做设计。无论如何，启动时几乎都要借助于现成

5、的芯片，技巧部分在于版图设计。 在自己做设计时，从芯片供应商那里争取到任何可用的参考设计都有助于你节省时间、金钱和减轻烦恼。主要设计问题涉及天线选择、与天线的阻抗匹配、发送/接收开关、电池或其它电源以及封装等。 测试时间和成本分析是另一个重要的设计步骤。新设计的任何产品都必须经过测试符合FCC Part 15规范要求。你要配备合适的仪器，特别是频谱分析仪、射频功率计、场强计以及配置了天线和探头的电磁干扰/电磁兼容(EMI/EMC)测试仪。第三方公司也可以做测试，但价格昂贵，时间也长。要考虑如果测试失败需要修改设计的时间。大多数模块要经过预测试，因此很大程度上取决于封装以及与产品剩余部分的接口。

6、 关键考虑事项和建议 如果更远距离和可靠性是第一优先级，那么采用较低的频率，比如915MHz要比2.4GHz好得多，433MHz则更好。这完全是物理学方面的原因。唯一的缺点是天线尺寸，在较低频率点的天线尺寸相对较大。不过如果你想传输几公里或几英里，这也没什么不好的。虽然在2.4GHz时不是不可能传这么远的距离，但它要求更大的功率和方向性增益最大的天线。 至于数据速率，慢速是优先考虑对象。较低数据速率的链路通常具有较高的可靠性。通过降低数据速率还能覆盖更远的距离。更低数据速率在高噪声环境中也能更好地生存。 分析无线电波路径是建立鲁棒和可靠链路的必要步骤。第一步应该是估计路径损耗。一些基本的经验公

7、式可以提供比较接近的数据给你使用。在知道路径损耗后，你就可以考虑其它一些事情，比如发送器输出功率、天线增益、接收器灵敏度、电缆损耗，一直到各种硬件需求。为估计发送器和接收器之间的路径损耗，可以使用下列公式： 损耗(dB)=37dB+20log(f)+20log(d) 工作频率(f)的单位是MHz，范围或距离(d)的单位是英里。另外一个公式是： 损耗(dB)=20log(4/)+20log(d) 波长()和范围或距离的单位都是米。根据这两个公式计算出来的结果是非常接近的。请注意，这是无障碍的自由空间损耗。距离每增加一倍，损耗增加约6dB。 如果存在障碍物，就必须加入一些修正系数。平均损耗系数对墙

8、来说是3dB，对窗户来说是2dB，对外墙建筑来说是10dB。 在路径损耗确定之前，还要加入衰落余量。这个“附加因素”可以确保在恶劣天气、太阳事件或异常噪声和干扰条件下仍有良好的链路可靠性。这样，发送器功率和接收器灵敏度将足以克服这些临时状况。 衰落余量系数只是一个猜测值。一些保守的设计师认为应该是15dB，也有设计师认为10dB是可接受的。如果异常天气或其它条件不用考虑，那么5dB也许就可以了。将这个系数增加到路径损耗中，然后再对其它各项作进一步调整。 另外一个有助于评估需求的便利公式是Friis公式： PR= PT*GR*GT*2/(162*d2)其中PR是以瓦为单位的接收功率，PT是以瓦为

9、单位的发送功率，GR是接收天线增益，GT是发送天线增益，是以米为单位的波长，d也是以米为单位的距离。发送和接收增益用功率比表示。对于双极子或地平面天线来说等于1.64。像波导天线或片状天线等方向性天线都有方向增益，通常用dB表示，但必须转换为功率比。这个公式也说明了为何更低频率(更长波长)可以覆盖更大的范围(=300/fMHz)。 发送器输出功率是另一个关键参数，通常用dBm表示。一些常见的输出功率值为0dBm(1mW)、10dBm(10mW)、20dBm(100mW)和30dBm(1 W)。接收器灵敏度通常也用dBm表示，代表接收器可以分辨和解调的最小信号功率，典型值在-70dBm至-120

10、dBm范围内。 最后一个要考虑的因素是电缆损耗。大多数工程中使用同轴电缆将发送器和接收器连接到天线。工作在UHF和微波频率的电缆损耗出奇的高。在2.4GHz或以上时电缆损耗高达每英尺几个dB。因此，要确保电缆长度最短。 另外，也可以在市场上寻找低损耗的特殊电缆。这种电缆的成本可能有点高，但如果不怕麻烦的话，你总是能找到每英尺损耗低于1dB的合适同轴电缆。当使用塔顶天线、使电缆变得很长时这点尤其重要。你可以用增益天线补偿损耗，但尽量缩短长度和使用最好的电缆仍是最佳选择。 在得到所有这些信息后，就可以得到最终计算结果等于：发送功率(dBm)+发送天线增益(dB)+接收天线增益(dB)路径损耗(dB

11、)电缆损耗(dB)衰落余量(dB) 这个数值应该好于接收器灵敏度。现在所有事情都尘埃落定，只需关注各个参数的最终规格。不过仍有两大设计问题天线及其阻抗匹配。 天线的来源有很多。无线模块很可能随附天线和/或天线建议。最常见的是四分之一波或半波垂直天线。在将天线置入产品中时，陶瓷类型很常见，PCB上的简单铜环也很普及。遵循制造商的建议可以获得最佳效果。如果是单芯片设计，需要在接收器和天线之间设计阻抗匹配网络。大多数芯片公司都能提供经实际验证的建议。否则，就要设计自己标准的L、T或LC网络。 有关测试的最后一点提示：美国CFR 57规范Part 15使用场强表示幅射功率，单位是毫伏每米(V/m)。场

12、强计在特定距离进行测量，结果可以转换成瓦，以确保发送器在规范要求之内。以下是十分近似的公式，可以用来完成功率和场强之间的转换： V2/120 PG/4d2 其中P是以瓦为单位的发送器功率，G是天线增益，V是单位为V/m的场强，d是以米为单位的从发送天线到场强计天线的距离。在发送天线增益为1且一般FCC测试距离3米的条件下，简化的近似值P0.3V22。 方案实例 FreeWave Technologies公司有一系列可靠、高性能的扩展频谱和获得许可的无线电产品，这些产品主要用于重要数据传输。高速MM2-HS-T(TTL接口)和MM2-HS-P(以太网接口)可以嵌入OEM产品，如传感器、远程终端单

13、元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、机器人以及无人驾驶车辆。这些产品工作在900MHz频带，使用直接序列扩频(DSSS)技术。 由于这些无线电产品的空中速度高达1.23Mbps，用户可以在更短的时间内发送更多的数据。MM2-HS-T是要求高数据速率的嵌入式应用的理想之选，例如视频和长距离应用(最远达60英里)。这两种无线电产品都适合需要发送大量数据(包含多幅高分辨率图像和视频)的众多工业、政府和军事应用。 MM2-HS-T的尺寸为50.8x36x9.6mm，重量为14克(图1)。MM2-HS-P共享同样小的外形尺寸。这两种无线电产品都提供带匹配滤波器并且基于RISC的信号解调功能，以及采

14、用多级声表面波(SAW)滤波器的砷化镓(GaAs)FET射频前端。两者的有机结合提供了无可比拟的过载防护和灵敏度。 图1：FreeWave MM2-HS-T 900MHz无线电产品面向嵌入式军事电子和工业应用。 MM2-HS-P包含支持TCP协议的工业级高速以太网、工业级无线安全和串行通信功能。每个产品都能在安全网络中用作主、从、中继器或主/从单元，具体取决于编程。FreeWave公司的专有扩频技术可以防止检测和未授权的访问，同时提供256位的AES加密算法。 ADI公司则推出了ADF7022和ADF7023低功耗收发器，这些器件非常适合在智能电网以及工作在短距离ISM频带上提供远程数据测量的

15、其它应用(图2)。智能电网技术不仅能测量消耗电量的多少，还能决定什么时间和价格能最佳的节省能量、降低成本，同时提高电能从电力公司传送到消费者的可靠性。在短距离内安全和可靠地传送这些信息、存储测量数据、通过无线网络与电力公司通信都需要使用射频收发器。 图2：ADI的ISM频段无线电芯片适合家庭自动化控制以及智能仪表应用。 ADF7022和ADF7023的应用包括：工业监视和控制、无线网络和遥感勘测系统、安全系统、医疗设备和遥控。可免费下载的ADI公司设计工具ADIsimSRD Design Studio支持这两款器件。 射频收发器的一个特别热门的应用领域涉及构建先进计量基础架构的公用事业公司，包

16、括通过自动抄表实现对能源使用的监视和控制。分析师预测，全球将安装1.5亿台以上的智能电表。ADF7022和ADF7023瞄准的就是这些智能电网和家庭/建筑自动化应用。 ADF7022是一款高集成度的频移键控/高斯频率键移(FSK/GFSK)收发器，设计工作在免许可ISM频段中的868.25、868.95和869.85MHz三个io-homecontrol信道。ADF7022完全符合ETSI-300-200标准，并且具有专门为io-homecontrol无线通信协议设计的增强数字基带特性。 因此，ADF7022能够完成通常由微处理器执行的复杂任务，例如介质访问、分组管理/验证以及到数据缓存之间的

17、分组存取，因而允许主要微处理器一直处于断电模式。ADF7022还能显著降低功耗，减低主要微处理器的计算和内存要求。 ADF7023是低中频收发器，工作在433、868和915MHz免许可ISM频段。它具有低的发送和接收电流，采用2FSK/GFSK时的数据速率高达250kbps。它的电源范围是1.8V至3.6V，在发送和接收模式都能消耗更少的功率，因而能延长电池寿命。其它片上功能包括：特别低功耗的8位RISC通信处理器；正在申请专利的完全集成的镜像抑制机制；压控振荡器(VCO)；分数N锁相环(PLL)；10位模数转换器(ADC)；数字接收的信号强度指示(RSSI)；温度传感器；自动频率控制(AFC)环路；电池电压监视器。 TI的CC2530是一款真正的系统级芯片解决方案(SoC)，是专门针对IEEE 802.15.4、ZigBee、Zig-Bee RF4CE和智能能源应用设计的产品(RF4CE针对消费电子设备的无线遥控标准)。CC2530的64kB及以上版本支持ZigBee RF4CE中新的RemoTI堆栈，这是业界首个兼容ZigBee RF4CE的协议堆栈。 更大的存储器容量将允许片上的空中下载，以支持在系统重编程。另外，CC2530整合了完全集成的高性能射频收发