用混合信號設(shè)計概念提升短距離無線傳輸系統(tǒng)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?。在九十年代初期，移動電話主要是由商業(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?。許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)成一連串數(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)以及歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)分別在其各自所處地區(qū)制訂了輻射功率標準，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準的模擬射頻接收器。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?；旌闲盘柤呻娐芬驗榫哂刑幚韥碜运刑炀€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。