資深專家支招：RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮哪些因素

　　作者：愛特梅爾公司 Jim Goings

　　簡(jiǎn)介

　　今天可以使用的高集成度先進(jìn)射頻設(shè)計(jì)可讓工程師設(shè)計(jì)出性能水平超過以往的RF系統(tǒng)，阻隔、靈敏度、頻率控制和基帶處理領(lǐng)域的最新進(jìn)展正在影響RF系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，本文旨在探討某些參數(shù)特性，以及它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

　　應(yīng)對(duì)干擾

　　處于或接近所需工作頻率的有害 RF信號(hào)，可能影響接收器精確調(diào)制所需RF數(shù)據(jù)包的能力。根據(jù)干擾與系統(tǒng)載波頻率的接近程度，可以分為幾類：a） 帶內(nèi)， b） 近帶和 c） 寬帶。采用不同的方法來減少各種類型干擾信號(hào)，以下列出常用的方法。

　　近帶和寬帶干擾

　　這種干擾抑制主要是改進(jìn)射頻裝置的選擇性和阻隔特性，選擇性是描述射頻裝置在其它RF頻譜中選擇所需信號(hào)的能力。阻隔特性則描述IC器件忽略干擾或干涉信號(hào)，同時(shí)仍然接收所需RF信號(hào)的能力。在初期選擇過程，謹(jǐn)慎的工程師將密切關(guān)注射頻裝置的選擇性和阻隔特性。通常，這些參數(shù)被忽略，而RF系統(tǒng)性能受到影響。除了選擇具有強(qiáng)大的阻隔特性的射頻裝置，還有其它用于抑制近帶和寬帶干擾的方法。一個(gè)常用的方法是在接收器天線和RF前端之間添加一個(gè)SAW濾波器，這就具有帶通效應(yīng)，可讓所需的信號(hào)以極小的衰減進(jìn)入射頻裝置，同時(shí)使得干擾因素的衰減增加。一個(gè)433.92MHz SAW濾波器的典型帶通特性如圖1所示。

　　圖1. SAW濾波器的典型頻率響應(yīng)

　　SAW濾波器提供的附加抑制不足以完全阻隔干擾，工程師應(yīng)當(dāng)考慮射頻裝置中間頻率的帶寬（IFBW），請(qǐng)參見圖2說明，并且考慮噪聲低于所需運(yùn)作頻率200kHz左右，在這種情況下，366kHz的IFBW在角頻率下僅僅可使干擾衰減10dB，相反地，當(dāng)使用25kHz IFBW時(shí)，干擾將會(huì)衰減56dB，如圖5所示。

　　圖 2. ATA5830(＄3.6250)器件在433.92MHz、IFBW = 366kHz下的阻隔特性

　　圖3. ATA5830器件在 433.92MHz、IFBW = 25kHz下的阻隔特性

　　過去，IFBW是由IC設(shè)計(jì)所固定的，然而，高性能RF器件，比如Atmel® ATA5830N(＄3.6250)和ATA5780N(＄2.6250)，可以通過使用一個(gè)EEPROM-based配置表來調(diào)節(jié)IFBW，用戶可配置IFBW范圍為25kHz至366kHz，并為工程師提供26種不同的IFBW設(shè)置。在優(yōu)化過程中，工程師應(yīng)當(dāng)確保所選擇的IFBW保持足夠?qū)挼姆秶员氵m應(yīng)內(nèi)部參考頻率的調(diào)制和容差帶來的接收器和發(fā)射器RF頻率的變化。來自意向幅射器（例如發(fā)射器）的RF信號(hào)包含了由于初始容差、溫度和老化造成的載波頻率錯(cuò)誤項(xiàng)。除了接收器和發(fā)射器的晶體頻率容差的最差情形堆疊，選擇最小IFBW還必需考慮以合適的波特率傳輸RF數(shù)據(jù)包和進(jìn)行調(diào)制所需的RF頻譜帶寬。

　　帶內(nèi)干擾

　　在所需工作頻率范圍內(nèi)的有害RF信號(hào)必需不同地處理，這是因?yàn)椴豢赡茉跇O強(qiáng)的干擾源和意向RF數(shù)據(jù)包之間進(jìn)行區(qū)分。在這種情況下，冗余信息是緩減這個(gè)問題的唯一方法。今天有兩種傳送冗余信息的方法a） 時(shí)域冗余或 b） 時(shí)域和頻域冗余

　　時(shí)域冗余是今天最常用的架構(gòu)，因?yàn)樗哂泻?jiǎn)單性和低成本。這種方法用于緩減間歇干擾源，通過以有限的時(shí)間量延遲來發(fā)送多個(gè)相同RF數(shù)據(jù)包的復(fù)本來實(shí)現(xiàn)（見圖4），這樣可以在RF系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器兩側(cè)使用單一載波頻率。然而，如果干擾連續(xù)存在，這種方法的效率低。隨著最新的先進(jìn)的低成本集成射頻IC的推出，這種方法讓位于時(shí)間和頻率冗余方法。

　　圖4. 時(shí)域冗余

　　通過在現(xiàn)有的時(shí)域冗余中增添頻率通道坐標(biāo)，如果干擾的頻譜占據(jù)較小的頻率范圍，可以完全避免連續(xù)的RF干擾，這種方法提供了很大的射頻性能改進(jìn)，如圖5所示。時(shí)域以水平坐標(biāo)來表示，顯示冗余的數(shù)據(jù)包以有限的時(shí)間延遲出現(xiàn)。頻域則在垂直坐標(biāo)上表示，顯示冗余RF頻譜內(nèi)容出現(xiàn)在不同的頻率上，例如，通道1-3。

　　
圖 5. 時(shí)域和頻域冗余

　　通道頻率間隔至少必需象基礎(chǔ)RF數(shù)據(jù)包的RF頻譜一樣寬，以便防止通道交疊。使用愛特梅爾ATA5830N和ATA5780N器件，建議至少使用兩倍于IFBW的通道間隔，在今天的汽車遙控和無源無匙門禁系統(tǒng)中，通道間隔范圍通常為400kHz至450kHz。

　　影響選擇RF數(shù)據(jù)包在時(shí)域中的延遲間隔的因素包括a） 改變通道頻率的穩(wěn)定時(shí)間， b） RF載波“ON”時(shí)間的平均值管理和c）總體系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。通常，通道頻率穩(wěn)定時(shí)間低至1ms，僅僅為第二等級(jí)問題。主要因素是管理RF能量，以便優(yōu)化頻率范圍，同時(shí)滿足當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求。通過占空比平均，如果平均功率下降低于當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)機(jī)構(gòu)的閾值，可以傳輸較高峰值RF功率水平。顯然，較高的輸出功率可讓RF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更大的傳輸范圍。

　　通過采用高端射頻架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多通道運(yùn)作，使用一個(gè)fractional-N PLL來建立RF系統(tǒng)的接收器和發(fā)射器模塊所需的RF頻率。使用這些器件提供的可編程架構(gòu)，可以簡(jiǎn)便地開發(fā)一個(gè)能夠快速準(zhǔn)確地改變中心工作頻率（例如通道）的接收器。隨著消費(fèi)者需要更強(qiáng)大的運(yùn)作性能，這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)很快成為用于汽車門禁系統(tǒng)的首選RF系統(tǒng)架構(gòu)。

　　RF調(diào)制

　　了解幅移鍵控法（ASK）和開關(guān)鍵控法（OOK）是不可互換的項(xiàng)目是很重要的，ASK是幅度調(diào)制（AM）的特殊情況，而OOK可被視為開關(guān)選通的RF載波，仔細(xì)研究 ASK和 OOK等式可以發(fā)現(xiàn)這些基礎(chǔ)的區(qū)別。

　　幅度調(diào)制：

　　注：Asin（ωt） 是具有幅度A的RF載波；m（t） 是數(shù)值范圍在-1和+1之間的調(diào)制信號(hào)，通常為正弦波；a 是數(shù)值在0和1之間的調(diào)制指數(shù)；最大幅度為2A

　　幅移鍵控調(diào)制（AM的特殊情況）：
　　

　　注：ASK 在幅度調(diào)制等式具有以下條件的情況下出現(xiàn)：調(diào)制信號(hào)、m（t）、是方波，數(shù)值范圍為-1和 +1之間；調(diào)制指數(shù)a 為1；最大幅度為2A

　　開/ 關(guān)鍵控調(diào)制：

　　注：Asin（ωt） 是具有幅度A的RF載波；g（t） 是具有數(shù)值1而開啟或具有數(shù)值0而關(guān)斷的選通信號(hào)；最大幅度為1A。

　　雖然ASK和OOK似乎具有相同的外形，重要的是注意ASK信號(hào)的幅度是其OOK對(duì)等信號(hào)的兩倍，這意味著使用ASK調(diào)制輸入進(jìn)行接收器靈敏度測(cè)量時(shí)，對(duì)于使用OKK調(diào)制信號(hào)來測(cè)量相同的接收器，將會(huì)產(chǎn)生優(yōu)勝6dB的數(shù)值。在實(shí)際中，汽車RKE和PKE系統(tǒng)使用OOK。

　　選擇OOK或FSK調(diào)制對(duì)于接收器在干擾和干擾臺(tái)信號(hào)中運(yùn)作的能力有著隱含影響，通常，對(duì)于OOK接收器，如果干擾低于所需RF信號(hào)10dB至12dB，解調(diào)制錯(cuò)誤（BER = 10-3）將開始出現(xiàn)。在使用FSK的情況下，解調(diào)制錯(cuò)誤出現(xiàn)的RF干擾必需更大。通常，通常在低于有用信號(hào)4dB至6dB的情況下（η = 1），這表示在干擾中間FSK調(diào)制相對(duì)于OOK調(diào)制具有更穩(wěn)健的性能優(yōu)勢(shì)。

　　RF載波頻率

　　關(guān)于何種載波頻帶在汽車遙控和被動(dòng)無匙門禁系統(tǒng)中提供最佳性能的論題方面有著很多的爭(zhēng)議，包括高頻帶（868-915MHz）或低頻帶（315-434MHz）。要解答這個(gè)問題，需要更多地了解每種頻帶的基礎(chǔ)特性。

　　一個(gè)指標(biāo)是考慮地區(qū)管理機(jī)構(gòu)允許的輸出功率，通常，高頻帶允許較高的幅射發(fā)射功率，可以帶來更大的系統(tǒng)傳輸范圍。然而，這是一把“雙刃劍”，因?yàn)橐粋€(gè)意想不至的后果是來自相同頻譜中其它大功率應(yīng)用的干擾的出現(xiàn)。很重要的是留意大功率干擾也出現(xiàn)在低頻帶中。然而，在高頻帶中較大幅度干擾似乎比低頻帶中嚴(yán)重，這是合理的。

　　另一個(gè)考慮因素是RF路徑損耗，它隨著頻率增加而增加。為了補(bǔ)償較高的路徑損耗，必需提高發(fā)射器的有效幅射功率，只有通過選擇具有較高輸出功率能力的發(fā)射器，或者使用具有較高效率的天線，才能做到這一點(diǎn)。在分析RF鏈路預(yù)算的路徑損耗、發(fā)射功率和天線效率時(shí)，可能得出在高頻帶下較高發(fā)射功率將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)作范圍產(chǎn)生邊際影響的優(yōu)勢(shì)。

　　顯然，高頻帶運(yùn)作的主要優(yōu)勢(shì)是能夠使用很小的物理尺寸來實(shí)現(xiàn)高效的天線（雙極），這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)比低頻帶情況縮短兩到三倍。這不僅對(duì)于手持式遙控鎖匙應(yīng)用非常有吸引力的，還對(duì)汽車應(yīng)用具有吸引力。然而，高頻帶RF系統(tǒng)往往在較多的方向上傳播，可能無法提供圍繞汽車輪廓的低頻帶系統(tǒng)的一致性性能。

　　最后，重要的一點(diǎn)是高頻帶或低頻帶運(yùn)作的選擇是參考頻率晶體的規(guī)范和射頻裝置所需的相關(guān)容差，這可能對(duì)高頻帶和低頻帶系統(tǒng)的成本和性能產(chǎn)生重大的影響，參見以下示例描述。

　　示例1：

　　如果演算一個(gè)具有150PPM頻率容差的典型晶體對(duì)于在915MHz下的高頻帶發(fā)射器應(yīng)用的影響，所得到的頻率容差是±137.25kHz，然而，將相同的150PPM晶體容差應(yīng)用于315MHz的低頻帶發(fā)射器應(yīng)用，所得到的頻率容差則降至±47.25kHz。顯然，高頻帶應(yīng)用所需的IFBW大約比低頻帶應(yīng)用增大三倍，以便捕獲發(fā)射頻譜的更大范圍的變化。由于接收器靈敏度通常與其IFBW成反比，通過減小系統(tǒng)的運(yùn)作范圍，可以減小高頻帶系統(tǒng)的敏感性并影響性能。

　　示例2：

　　為了緩減這種效應(yīng)，選擇具有50PPM的較低容差的晶體用于高頻帶應(yīng)用，這可將915MHz下的頻率容差從±137.25kHz減小至±45.75kHz?，F(xiàn)在，可以選擇在315MHz 下具有相當(dāng)于±47.25kHz性能的IFBW，但是，代價(jià)是較高精度的參考頻率晶體和其相關(guān)成本。

　　結(jié)論

　　近年來，高集成度射頻裝置的設(shè)計(jì)和可用性進(jìn)步變得更為普遍，為了實(shí)現(xiàn)這些近期發(fā)展的最大優(yōu)勢(shì)，工程師值得花費(fèi)精力來重新考慮今天RF系統(tǒng)的架構(gòu)。本文旨在重新研究基礎(chǔ)的系統(tǒng)運(yùn)作考慮因素，比如干擾、調(diào)制和頻率選擇，并且根據(jù)愛特梅爾ATA5830N發(fā)射器和Atmel ATA5780N接收器等新型射頻器件來加以探討。