短距離無線消費(fèi)電子的RF前端設(shè)計(jì)

隨著系統(tǒng)成本和功耗進(jìn)一步降低以及產(chǎn)品性能的提高，無線短距離消費(fèi)電子市場正高速增長。本文將向設(shè)計(jì)工程師介紹一些市場上出現(xiàn)的新趨勢和方案，并介紹RFW102芯片組的特點(diǎn)和應(yīng)用。

短距離無線應(yīng)用是指可在最遠(yuǎn)100米范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的解決方案。無線短距離應(yīng)用主要有以下幾種：

無線局域網(wǎng)(WLAN) 可替代有線LAN連接的高速傳輸方案(11~56Mbps)。WLAN方案在辦公室應(yīng)用場合很普遍，而且在小型辦公室/家庭辦公(SOHO)和私人住宅等應(yīng)用場合也越來越流行。其室內(nèi)有效距離通常是100米。

個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN) 適用于10米范圍內(nèi)的中等傳輸率應(yīng)用環(huán)境(有些PAN有時(shí)需要更遠(yuǎn)的距離)。該方案主要針對(duì)開放環(huán)境應(yīng)用和產(chǎn)品(藍(lán)牙)。

無線短距離消費(fèi)類產(chǎn)品 中低速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，有效范圍在30米內(nèi)，該類產(chǎn)品可能跟一些PAN應(yīng)用有重疊。該類方案一般針對(duì)封閉應(yīng)用環(huán)境和產(chǎn)品，目前這類產(chǎn)品存在很多解決方案。

射頻前端技術(shù)趨勢

由于消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)無線通信功能的需求不斷增長，針對(duì)這些需求目前存在各種技術(shù)方案，而各種技術(shù)方案的優(yōu)越性可用下面五個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來衡量：

成本：成本越低，應(yīng)用越廣，市場潛力也就越大?？梢赃@么說，當(dāng)成本每降低10%，市場潛力將會(huì)擴(kuò)大100%。

傳輸范圍：短距離無線方案的適用范圍一般在室內(nèi)30米以內(nèi)。

電源效率：無線設(shè)備在許多情況下是由電池供電的，因此電池使用壽命是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。這一問題將會(huì)間接地反映在成本上，因?yàn)楣拇?，消費(fèi)者就必須更頻繁地更換電池。即使使用可充電電池，消費(fèi)者也需要更強(qiáng)勁的電池，以便每次充電后的使用時(shí)間盡可能長。

服務(wù)質(zhì)量(QoS)：滿足數(shù)據(jù)傳輸率要求條件下提供可靠的數(shù)據(jù)鏈接。

高數(shù)據(jù)傳輸率：該參數(shù)可為無線消費(fèi)產(chǎn)品市場開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。過去由于成本問題而無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，現(xiàn)在也可通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)無線方案一般由RF前端和媒體訪問層(MAC)兩部分組成。RF前端主要由以下幾個(gè)性能指標(biāo)來衡量：

鏈接預(yù)算：鏈接預(yù)算[dB] = 輸出功率[dBm] - 靈敏度[dBm]。輸出功率是指發(fā)射時(shí)從發(fā)射器輸出的功率，靈敏度是指接收器的靈敏度。10米室內(nèi)距離要求至少70dB的鏈接預(yù)算，當(dāng)前的許多產(chǎn)品都滿足這一要求。輸出功率一般為0~10dBm，靈敏度為-80~-90dBm。

工作頻率：消費(fèi)類產(chǎn)品不能承受頻率占用的費(fèi)用，最好工作在無需申請?jiān)S可的ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段，供應(yīng)商所使用的其它頻段還有900-928MHz (只適用于美洲大陸)和868-870MHz (歐洲的大部分地區(qū))。

調(diào)制方案：目前的許多產(chǎn)品采用幅移鍵控(ASK)或頻移鍵控(FSK)。

擴(kuò)頻方案：頻譜擴(kuò)展可為工作于ISM頻段的無線應(yīng)用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和安全性。常用的兩種擴(kuò)頻方案是跳頻擴(kuò)頻(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，這兩種完全不同的擴(kuò)頻方案都具有同樣的穩(wěn)定性。

接收器/發(fā)射器/收發(fā)器：單工鏈接是指每一邊(節(jié)點(diǎn))在某一時(shí)刻要么發(fā)射(發(fā)射器)，要么接收(接收器)，但不能同時(shí)發(fā)射和接收；而雙工鏈接則意味著每一節(jié)點(diǎn)都可同時(shí)發(fā)射和接收(收發(fā)器)。

消費(fèi)類產(chǎn)品的RF前端

無線短距離消費(fèi)市場是一個(gè)龐大的市場，有著各種各樣的產(chǎn)品(見表2)。但從消費(fèi)者的角度來看，現(xiàn)今的產(chǎn)品還無法以合理的價(jià)格提供令人滿意的解決方案。

無線產(chǎn)品廠商在選擇技術(shù)方案時(shí)，一般更注意成本問題，甚至認(rèn)為成本比質(zhì)量更重要。但是消費(fèi)者并不能接受這種思想，他們希望無線產(chǎn)品至少能跟低價(jià)位有線產(chǎn)品一樣好。因此，無論一個(gè)無線方案多么好，只要不能實(shí)現(xiàn)合理的價(jià)格，它就無法應(yīng)用于消費(fèi)類產(chǎn)品；同樣，如果所用的無線方案不能提供跟有線方案同樣好的數(shù)據(jù)鏈接性能，消費(fèi)者也不會(huì)滿意。表 1給出了改善以上討論的5個(gè)基本參數(shù)的技術(shù)要求。

因此，一個(gè)重要的問題是找到一個(gè)超低價(jià)格的無線方案，并具有高性能。由于所有的無線方案都面臨前面所講的問題，下面將以RFWaves公司的無線方案為例來討論。

RFW102收發(fā)器芯片組實(shí)現(xiàn)方案

圖 1描述了一種采用RFWaves公司RFW102收發(fā)器芯片組的典型應(yīng)用。該方案包括兩個(gè)主要部分：RF前端和數(shù)字后端。

RF前端

RF前端采用RFW102收發(fā)器芯片組，包括RFW24、RFW488C和RFW488R三個(gè)芯片。

RFW24--完成所有的時(shí)序、放大、切換、發(fā)送和接收功能。

RFW488C--在石英基底上實(shí)現(xiàn)的4引腳SAW相關(guān)器(correlator)。該芯片是一個(gè)完全非差分無源器件，是DSSS擴(kuò)頻和去擴(kuò)頻的基本單元。他可作為橫向13位BPSK Barker碼相關(guān)器(匹配濾波器)。

RFW488R--單端口SAW諧振器，諧振頻率為488MHz，可作為系統(tǒng)的CW振蕩源。

除RFW102芯片組外，僅需幾個(gè)無源器件就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的方案，如圖 2所示。

RFWaves調(diào)制解調(diào)器具有以下特性：

工作頻率：2.4GHz，全球免許可申請頻段，采用DSSS技術(shù)。

低接收功耗：1kbps@40μA;10kbps@380μA;100kbps@3.8mA;1Mbps@38mA；

低發(fā)送功耗：1kbps@25μA;10kbps@220μA;100kbps@2.2mA;1Mbps@21mA。

待機(jī)電流：2.6μA；喚醒時(shí)間：20μS；同步時(shí)間：1μS。RFWaves收發(fā)器僅需一個(gè)比特實(shí)現(xiàn)同步(實(shí)現(xiàn)同步時(shí)間為1.2μS)；

輸出功率：+2dBm；靈敏度：-80dBm。

數(shù)據(jù)傳輸速率：最高1Mbps。

RF前端帶有一個(gè)簡單的三線數(shù)字接口，具有如下基本功能：

Tx/Rx--確定工作模式；

TxD/RxD--可發(fā)送和接收數(shù)字信號(hào)的雙向線；

ACT--實(shí)現(xiàn)待機(jī)模式，節(jié)省電能。

數(shù)字后端

RF前端接口數(shù)據(jù)線是一種異步串行位管線。由于數(shù)據(jù)采用射頻鏈接，因此必須提供檢錯(cuò)/糾錯(cuò)方案。為了使用低端MCU以降低總成本，MCU必須支持MAC/協(xié)議功能。因此，在RF前端和MCU之間存在一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的接口。

如前所述，系統(tǒng)采用一個(gè)運(yùn)行MAC/協(xié)議和應(yīng)用程序的低端MCU。該MCU可視應(yīng)用要求的不同而配置各種特殊接口，如USB、SPI和I/O等。由于只使用了一個(gè)MCU顯然可降低成本，并降低系統(tǒng)功耗。除由RFWaves合作伙伴提供的數(shù)字后端外，開發(fā)者還可獲得協(xié)議文件及源代碼參考設(shè)計(jì)。

RFWaves整體方案

消費(fèi)產(chǎn)品開發(fā)商都希望采用易于集成的設(shè)計(jì)單元，簡化設(shè)計(jì)和降低風(fēng)險(xiǎn)，并采用盡可能多的現(xiàn)成單元。而RF前端一般都很復(fù)雜，需要豐富的通信知識(shí)及設(shè)計(jì)技巧?；谏鲜龅氖聦?shí)，設(shè)計(jì)工程師迫切需要一個(gè)易于集成的方案，該方案將RF和通信電路作為“黑匣子”來處理，有了這個(gè)黑匣子，設(shè)計(jì)者只需了解它如何與應(yīng)用系統(tǒng)連接即可。RFWaves的整體方案中考慮了這些設(shè)計(jì)需求和QoS問題，前端采用13位barker DSSS方案、雙工鏈接、錯(cuò)誤檢測方案，以及根據(jù)應(yīng)用不同的協(xié)議變換。

超低功耗：接收和發(fā)送時(shí)的低功耗、極低待機(jī)電流、極短喚醒時(shí)間和快速獲取時(shí)間，以及可利用系統(tǒng)空閑時(shí)間進(jìn)入待機(jī)模式的協(xié)議。

數(shù)據(jù)傳輸率：目前RF鏈接的總帶寬為1Mbps。

距離：鏈接預(yù)算超過80dB，有效室內(nèi)距離可達(dá)25m，在RF前端增加一個(gè)功率放大器可將有效范圍擴(kuò)展到100米。

總系統(tǒng)成本低：RFWaves方案的總系統(tǒng)成本與低端方案相當(dāng)。為進(jìn)一步降低成本，RFWaves還為PCB上的天線布局提供了參考設(shè)計(jì)。

應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

下面將以采用RFWaves RF前端的無線游戲鍵盤/操作手柄的設(shè)計(jì)為例講述設(shè)計(jì)要求和步驟。

游戲鍵盤是附加到游戲平臺(tái)(PS2、Xbox或Gamecube)或PC上的一種游戲控制外設(shè)，最近幾年無線游戲控制鍵盤和操作手柄時(shí)常非?；鸨?

基本要求

低成本--每個(gè)消費(fèi)產(chǎn)品都有此要求；

低延遲--極快的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樗鼘⒂糜诟咚儆螒颍?

傳輸率--相對(duì)較高的數(shù)據(jù)傳輸率；

多設(shè)備共存--最高16個(gè)設(shè)備可在同一區(qū)域同時(shí)工作；

一個(gè)游戲平臺(tái)可支持4個(gè)控制鍵盤；

雙工鏈接--返回游戲平臺(tái)發(fā)出的反饋信號(hào)；

QoS--在該實(shí)例中尤其重要，如果產(chǎn)生游戲平臺(tái)不能接受的任何操作都會(huì)影響游戲者的娛樂感受。

設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇由RFWaves合作伙伴之一提供的合適數(shù)字后端(I/O端口、RAM和ROM等)。根據(jù)不同的應(yīng)用選擇一個(gè)不同的數(shù)字后端。

2.了解游控制鍵盤和游戲平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸方法。

3.了解數(shù)據(jù)傳輸方法后，采用由RFWaves提供的正確協(xié)議作為參考。

4. 在MCU上實(shí)施MAC/協(xié)議和應(yīng)用軟件。

5. 調(diào)試

6. 建立原型樣機(jī)。

本文總結(jié)：

無線消費(fèi)應(yīng)用是一個(gè)巨大的市場，而且每年都以飛快的速度增長。但是，很多開發(fā)商在這方面遭遇過失敗，并且缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此外，與有線產(chǎn)品相比，在價(jià)格和性能上現(xiàn)在的很多無線方案還存在不足。隨著更多的低成本、高性能短距離無線傳輸方案的推出，相信將會(huì)有更多、更好的無線消費(fèi)產(chǎn)品可供選擇，無線消費(fèi)產(chǎn)品市場也將不斷擴(kuò)大。