高性能 Sub-GHz無線芯片及應(yīng)用方案介紹

當今世界，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、汽車無鑰匙進入系統(tǒng)（RKE）、噴灌系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、智能家居、自動抄表等等。

在無線應(yīng)用領(lǐng)域，1GHz以下（Sub-GHz）頻段的無線市場擁有巨大且日益增長的商業(yè)機會。以汽車、消費電子市場為例：僅汽車的無鑰匙進入系統(tǒng)，每年就有1.5億套產(chǎn)品市場；而消費類電子產(chǎn)品的市場容量每年都有上億套。此外，近年來興起的家庭自動化和自動抄表應(yīng)用也有很高的市場需求。巨大的商機使得無線市場非常具有吸引力。

無線產(chǎn)品之所以具有廣泛的應(yīng)用，很重要的一點就是現(xiàn)代無線器件降低了產(chǎn)品設(shè)計的門檻?，F(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、自動頻率控制等，都能集成在一個無線芯片內(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的輕量級加密算法的廣泛應(yīng)用。設(shè)計門檻的降低使越來越多的工程師能進入無線領(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)用也呈增長趨勢，一方面很多應(yīng)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(shè)備可以根據(jù)接收信號強度通知發(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

Silicon Labs公司目前有三個系列的無線芯片，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、喚醒定時器、電池電壓檢測等功能，使無線功能的設(shè)計和實現(xiàn)變得非常簡單。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(shù)據(jù)可靠性，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)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、自動增益控制電路，而可編程增益放大器的輸出信號被內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，后續(xù)的信號處理均采用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(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器、溫度傳感器以及一個可供用戶使用的8位ADC。


圖1 Si4432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，比較兩個天線的接收強度，自動選擇最佳的天線。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、因為天線分計算法是由無線芯片來實現(xiàn)的，所以無MCU開銷；4、節(jié)省功耗，因為相同的通信范圍可以使用較低的功率。對于一個典型系統(tǒng)，天線分計算法可增加+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，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率與發(fā)射功率的關(guān)系，藍色曲線為多極天線誤報率與發(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率要比單天線的接收器的誤報率要低得多。


圖3 使用多極天線接收器與使用單天線的接收器的對比

之所以要使用天線分集算法或多極天線，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(yīng)、天線極化效應(yīng)、無線RF發(fā)射器或接收器移動。使用天線分集算法，就是提高天線位于一個強信號中的可能性。圖4中演示了多徑衰弱效應(yīng)，假設(shè)接收器不動、發(fā)射器移動，上圖表示接收器在左側(cè)的天線可以接收到較強的信號，而右邊的天線接收不到強信號。下圖表示發(fā)射器發(fā)生移動，此時接收器的左側(cè)天線接收不到強信號，而右側(cè)天線則可以接收到強信號。很顯然，使用多極天線或天線分集算法，保證有一個天線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(yīng)