高性能Sub-GHz無線芯片及應(yīng)用方案介紹

當(dāng)今世界，無線產(chǎn)品早已無處不在。在我們周圍分布著大量的無線產(chǎn)品和應(yīng)用系統(tǒng)，如氣象站、汽車無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)（RKE）、噴灌系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、智能家居、自動(dòng)抄表等等。在無線應(yīng)用領(lǐng)域，1GHz以下（Sub-GHz）頻段的無線市場(chǎng)擁有巨大且日益增長(zhǎng)的商業(yè)機(jī)會(huì)。以汽車、消費(fèi)電子市場(chǎng)為例：僅汽車的無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)，每年就有1.5億套產(chǎn)品市場(chǎng)；而消費(fèi)類電子產(chǎn)品的市場(chǎng)容量每年都有上億套。此外，近年來興起的家庭自動(dòng)化和自動(dòng)抄表應(yīng)用也有很高的市場(chǎng)需求。巨大的商機(jī)使得無線市場(chǎng)非常具有吸引力。無線產(chǎn)品之所以具有廣泛的應(yīng)用，很重要的一點(diǎn)就是現(xiàn)代無線器件降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的門檻。現(xiàn)代無線器件的集成度越來越高，多功能部件如調(diào)制解調(diào)、天線調(diào)諧、自動(dòng)頻率控制等，都能集成在一個(gè)無線芯片內(nèi)，使無線功能可以很容易地加入到最終產(chǎn)品中。設(shè)計(jì)門檻的降低還包括RF數(shù)據(jù)鏈路的成本下降，適合于MCU的輕量級(jí)加密算法的廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)門檻的降低使越來越多的工程師能進(jìn)入無線領(lǐng)域，也使越來越多的產(chǎn)品能加入無線功能，從而催生了更多的無線應(yīng)用，例如游戲控制器、傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀等。在現(xiàn)有的無線應(yīng)用中，大規(guī)模的應(yīng)用屬于單向鏈路應(yīng)用，即一方只發(fā)射，另一方只接收，像汽車的無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、遙控器和傳感器就是這一類應(yīng)用。但雙向鏈路應(yīng)用也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，一方面很多應(yīng)用需要通信確認(rèn)，另一方面雙向鏈路可以降低功耗，因?yàn)榻邮赵O(shè)備可以根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度通知發(fā)送設(shè)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系列無線芯片SiliconLabs公司目前有三個(gè)系列的無線芯片，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(dá)到+20dBm，因此具有業(yè)界領(lǐng)先的鏈路預(yù)算(138dBm)。無線功能的高度集成大大減少了外部元件數(shù)，也降低了工作電流；豐富的片上功能，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。芯片內(nèi)建天線多集算法、包處理器、喚醒定時(shí)器、電池電壓檢測(cè)等功能，使無線功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變得非常簡(jiǎn)單。它適合于更遠(yuǎn)的通信距離（大于3km），具有很好的鏈路性能，提高了數(shù)據(jù)可靠性，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1是EZRadioPRO系列中的收發(fā)器芯片Si4432的原理框圖。可以看到，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(hào)被內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，后續(xù)的信號(hào)處理均采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，保證了芯片工作的可靠性。要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字調(diào)制器調(diào)制后，由內(nèi)建的功率放大器發(fā)射出去，Si4432實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的功能，芯片內(nèi)部還集成了電池電壓檢測(cè)器、溫度傳感器以及一個(gè)可供用戶使用的8位ADC。圖1Si4432原理框圖天線分集―改善鏈路性能EZRadioPRO集成的天線分集算法可以改善無線鏈路的性能。通過使用兩個(gè)天線和天線分集算法，EZRadioPRO可以選擇最佳的天線接收數(shù)據(jù)，從而獲得更優(yōu)的性能。天線分集算法在分析前端碼時(shí)，比較兩個(gè)天線的接收強(qiáng)度，自動(dòng)選擇最佳的天線。EZRadioPRO的天線分集有以下好處：1、抑制多徑衰落和天線極化效應(yīng)，以改善鏈路質(zhì)量；2、通過消除盲區(qū)來增加通信范圍和距離；3、因?yàn)樘炀€分計(jì)算法是由無線芯片來實(shí)現(xiàn)的，所以無MCU開銷；4、節(jié)省功耗，因?yàn)橄嗤耐ㄐ欧秶梢允褂幂^低的功率。對(duì)于一個(gè)典型系統(tǒng)，天線分計(jì)算法可增加+8dB~10dB的鏈路預(yù)算。圖2中示出了使用天線分集算法的典型系統(tǒng)。圖2使用天線分集算法的典型系統(tǒng)使用天線分集算法可以降低功率需求。從圖3中可以看出，天線分集功能被使能時(shí)，與使用單天線的接收器相比，發(fā)射功率可以降低9.4dBm。圖中粉色曲線為單天線接收器誤報(bào)率與發(fā)射功率的關(guān)系，藍(lán)色曲線為多極天線誤報(bào)率與發(fā)射功率的關(guān)系。在這兩種情況下，誤報(bào)率都是隨著發(fā)射功率的增加而降低的。但是在相同的發(fā)射功率下，使用多極天線的接收器的誤報(bào)率要比單天線的接收器的誤報(bào)率要低得多。圖3使用多極天線接收器與使用單天線的接收器的對(duì)比之所以要使用天線分集算法或多極天線，是因?yàn)榄h(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(yīng)、天線極化效應(yīng)、無線RF發(fā)射器或接收器移動(dòng)。使用天線分集算法，就是提高天線位于一個(gè)強(qiáng)信號(hào)中的可能性。圖4中演示了多徑衰弱效應(yīng)，假設(shè)接收器不動(dòng)、發(fā)射器移動(dòng)，上圖表示接收器在左側(cè)的天線可以接收到較強(qiáng)的信號(hào)，而右邊的天線接收不到強(qiáng)信號(hào)。下圖表示發(fā)射器發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)接收器的左側(cè)天線接收不到強(qiáng)信號(hào)，而右側(cè)天線則可以接收到強(qiáng)信號(hào)。很顯然，使用多極天線或天線分集算法，保證有一個(gè)天線可以接收到較強(qiáng)的信號(hào)，從而確保了鏈路的可靠性。圖4多徑衰落效應(yīng)天線分集算法是如何抑制天線極化和方向性效應(yīng)的呢？圖5中，左圖中黃綠部分表示使用一個(gè)天線時(shí)的通信覆蓋范圍，右圖中的黃綠色區(qū)域表示天線與左圖中的天線方向成90度放置時(shí)的通信覆蓋范圍。可以看到，使用一個(gè)天線時(shí)，不管天線放置的方向如何，都有很大的未覆蓋范圍。而從圖6可以看出，使用兩個(gè)天線和天線分集算法時(shí)，通信覆蓋范圍大為增加，黃綠色和綠色區(qū)域都是通信覆蓋范圍，實(shí)際上是兩個(gè)成90度放置的天線的通信覆蓋范圍的疊加。通過這圖5和圖6的對(duì)照，我們可以看出，使用天線分集算法可以減弱方向極化和方向性效應(yīng)的影響，擴(kuò)展通信范圍。圖5使用一個(gè)天線時(shí)的通信覆蓋圖6使用兩個(gè)天線和天線分集算法時(shí)的通信覆蓋范圍應(yīng)用案例無線氣象站步驟1：位于屋頂?shù)膫鞲衅髦甘咎鞖狻穸取L(fēng)向等。步驟2：位于屋內(nèi)的顯示器或網(wǎng)關(guān)從屋頂傳感器接收數(shù)據(jù)并顯示信息，進(jìn)而決定是否使用遠(yuǎn)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(dāng)噴灌器打