單片射頻收發(fā)芯片A7105的原理與應(yīng)用

摘要:本文對(duì)短距離RF的主流幾種通信方式作了介紹，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及采用低價(jià)RF專有方案的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)基于無線發(fā)射芯片A7105(SH38L05)的RF短距離通信方案做了較為詳細(xì)的介紹。
一:主流的三種RF方案及其優(yōu)缺點(diǎn)比較
1）：藍(lán)牙方案（IEEE802.15）
藍(lán)牙協(xié)議允許數(shù)據(jù)在1個(gè)主設(shè)備和最多7個(gè)從設(shè)備，最高傳輸速率為723kbit/s。不過，實(shí)際實(shí)際的速率會(huì)比這個(gè)數(shù)值小。
高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制模式，在2.4G頻段內(nèi)使用83個(gè)1Mbps的頻道。在送到載波之前，GFSK在基帶信號(hào)上使用高斯過濾。可以平滑高電平（"1"）低電平（"0"）。與頻移鍵控（FSK）的直接方法相比，可以給傳輸信號(hào)提供一個(gè)較狹和"更干凈"的頻譜。
藍(lán)牙設(shè)備有三種基本功率電平：1級(jí)（100米線視距）、2級(jí)（10米）和3級(jí)（2-3米）。目前常用的設(shè)備為2級(jí)。
在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無二的48比特識(shí)別號(hào)碼。第一個(gè)識(shí)別設(shè)備（通常在2秒鐘內(nèi)）成為主設(shè)備，接著設(shè)定為在頻段中每秒使用1600次，所有網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備將與這個(gè)主設(shè)備鎖定并與其同步。主設(shè)備以偶時(shí)隙傳送，從設(shè)備以奇時(shí)隙響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備將被分配一個(gè)地址，并收聽屬于自己的時(shí)隙和地址信息。
從設(shè)備也可以進(jìn)入低功耗的可能進(jìn)入功率"探測"，"保持"和"停止"模式。在探測模式中，設(shè)備僅僅在指定的探測時(shí)隙中靜聽，但是保持同步。在保持模式中，設(shè)備進(jìn)行收聽來確定自身是否需要激活。在停止模式中，設(shè)備放棄它的地址。雖然在保持和停止模式下可以延長電池壽命省電，但這也這意味著，設(shè)備失去同步，同時(shí)重新建鏈將需要等待時(shí)間，這將耗時(shí)幾秒鐘，如果用戶要求快速響應(yīng)，這無疑是一個(gè)缺點(diǎn)。
藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)包括一系列的應(yīng)用領(lǐng)域可供選擇。不過，所有藍(lán)牙的應(yīng)用，都必須得到認(rèn)可，并符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，所有用戶必須是藍(lán)牙特別的成員。
由于來自藍(lán)牙專業(yè)組的商業(yè)壓力，大部分應(yīng)用領(lǐng)域都適用于移動(dòng)電話上的媒體和文件的傳輸應(yīng)用。因此，應(yīng)用藍(lán)牙來開發(fā)一些較為簡單的應(yīng)用是價(jià)值不高并且沒有實(shí)用價(jià)值的。
2）：ZigBee（IEEE802.15.4）
　　ZigBee是最近推出的RF標(biāo)準(zhǔn)，為大量多節(jié)點(diǎn)、低功耗、低速率的無線監(jiān)控應(yīng)用而開發(fā)。
本標(biāo)準(zhǔn)定義為IEEE802.15.4,也是可靠性很高的一種簡單數(shù)據(jù)協(xié)議。這包括通知每次傳輸?shù)膽?yīng)答機(jī)制以及其他技術(shù)以保持信息的可靠性。ZigBee無須藍(lán)牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。
像藍(lán)牙那樣，ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段（5MHz 16頻道）內(nèi)。本標(biāo)準(zhǔn)也提供在歐洲868MHz（單頻道）和US915MHz(2MHz 10頻道)頻段的版本。它保證250kbit/s的最高速率。
3）：專有方案（A7105方案，與nRF方案類似）
　　專有方案采用藍(lán)牙的信道模式。專有方案將2.400~2.483GHz之間頻帶分成166個(gè)500KHz帶寬的頻道，而藍(lán)牙分成83個(gè)頻道，ZigBee為16頻道相比（參見圖2），與藍(lán)牙與ZigBee相比，這使A7105專有方案在遭遇從擁擠的頻段帶來的干擾的時(shí)候有更多可用頻率。
  干擾處理
　　所有三種無線技術(shù)，即藍(lán)牙、ZigBee和專有方案，都有減少在相同頻段工作的RF設(shè)備干擾的機(jī)制。
藍(lán)牙具有頻率跳躍擴(kuò)頻（FHSS）機(jī)制，能確保79個(gè)1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾。
ZigBee利用它的16個(gè)頻段對(duì)付窄帶干擾，因此當(dāng)如果有其他802.11b/g設(shè)備的存在時(shí)，就更容易受到干擾，這就可能需要等待其他設(shè)備終止發(fā)送。
專有方案采納一種更靈活的混合做法。由于它的輸出功率適度，干擾不太可能發(fā)生。為了最低限度減少電流消耗和復(fù)雜性，專有方案不采用擴(kuò)頻模式，碰到干擾，只是簡單地以單一頻率傳送，直至數(shù)據(jù)包到達(dá)為止。如果在發(fā)射的過程中需改變頻率，則只需簡單地通過SPI發(fā)送一個(gè)單字節(jié)命令即可。
有了166個(gè)500KHz頻道，就可以避開其他設(shè)備應(yīng)用上的傳送頻率而重新分配頻率，即使在機(jī)場那樣的"熱點(diǎn)"，在幾分鐘乃至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，頻率的重新分配頻率也并不頻繁。
至于無線鼠標(biāo)，鄰頻抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠標(biāo)（TX）到USB接收器（RX）的距離是從干擾源算起的一半，一般就不會(huì)產(chǎn)生干擾。這是因?yàn)楦鶕?jù)RF理論，6dB的衰減等同于雙倍的距離。（參見圖1）。
專有方案與其它兩種方案的比較
首先，采用藍(lán)牙方案與ZigBee方案的缺點(diǎn)：第一，為了符合標(biāo)準(zhǔn)，您得達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這將使您付出高昂的NRE費(fèi)用，用來開始設(shè)計(jì)和測試兼容性。第二，由于它的特性，標(biāo)準(zhǔn)必須是"一個(gè)尺碼天下通用"的解決方法--在競爭日益激烈的全球化市場上，您的競爭者擁有與您一樣的技術(shù)，很難分辨您的產(chǎn)品的優(yōu)勢。最后，標(biāo)準(zhǔn)提供的設(shè)計(jì)靈活性很小；例如在在您的RF產(chǎn)品上進(jìn)行降低功耗的工作將會(huì)受到限制。
專有方案的優(yōu)點(diǎn)：成本低,在要求一種產(chǎn)品需要電池壽命長和通信可靠以及實(shí)現(xiàn)低占空比方面，nRF專有方案比藍(lán)牙和ZigBee做得更好。
有關(guān)的名詞的解釋:
   FSK：頻移鍵控，指用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的頻率。其主要優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。
   GFSK：是高斯頻移鍵控的簡寫，在調(diào)制之前通過一個(gè)高斯低通濾波器來限制信號(hào)的頻譜寬度。
二:RF IC(A7105)的主要性能
工作頻率：2400~2483MHz ISM頻段(全球免許可申請(qǐng)頻段)。工作距離:10m內(nèi)；
頻道距離: 500KHz,一共可存在的頻道數(shù):~160個(gè)，即可以有效設(shè)定的頻率范圍是2400~2483MHz，每500KHz間隔可以設(shè)定一個(gè)頻道,在同一空間里的不同RF設(shè)備,可以通過跳頻來設(shè)定讓其不在一個(gè)頻道工作，以減少干擾。
低接收功耗：500Kbps@16mA； 低發(fā)送功耗：0dBm@19mA; 休眠電流：<1μA；輸出功率：0dBm； 靈敏度：-110dBm@2.5KBPS, -104dBm@25KBPS,-97dBm@250KBPS,-93dBm@500KBPS, 數(shù)據(jù)傳輸速率：最高500Kbps; 基本應(yīng)用：鼠標(biāo)，鍵盤，玩具等。

數(shù)據(jù)傳輸速率：最高500Kbps;
基本應(yīng)用：鼠標(biāo)，鍵盤，玩具等。
三:RF系統(tǒng)示意圖及與MCU的接口定義

   對(duì)于RF IC—A7015，其控制是通過SPI(3或4線)串介面操作讀出或?qū)懭胭Y料(SCS,SCK,DIO或GIOx).如果想使用4線串列介面時(shí),先確定要使用GIO1或GIO2 pin,做SPI data out.
   MCU與A7105的接口引腳說明：
   SCS：SPI使能；
   SCK：SPI clock信號(hào)；
   SDIO：SPI data信號(hào)；
   GIO1：多工信號(hào)輸入/輸出1，SPI data1；
   GIO2：多工信號(hào)輸入/輸出2：SPI data2；
   MCU與RF IC是通過SPI進(jìn)行通信的，SPI的格式如下所示

四：RF IC(A7105)的兩種數(shù)據(jù)傳送模式
RF IC的工作模式：共有兩種工作模式，一是direct mode，二是FIFO模式，不同的工作模式可由初始化時(shí)相應(yīng)的寄存器設(shè)定。
Direct mode：提供使用者一個(gè)RF通道，在Tx端系統(tǒng)將資料傳送給RF DATA IO PIN，RF僅將資料做調(diào)制，然后發(fā)射出去。RX端采用數(shù)位解調(diào)方式，還原資料。
FIFO mode：時(shí)序如下：
1）：Tx數(shù)據(jù)的傳送時(shí)序：先用SPI將data寫入Tx  FIFO（最大可以寫入64bytes），寫入命令，使RF IC進(jìn)入到Rx模式，開始傳送數(shù)據(jù)，直到傳送完成后，回到原先的狀態(tài)。
2）：Rx數(shù)據(jù)的傳送時(shí)序：寫入命令，使RF IC進(jìn)入到Rx狀態(tài)，當(dāng)接收到相同的ID CODE后PIN RX_SYN會(huì)置為1,此時(shí),接收到的data開始寫入Rx FIFO,完成一資料包接收后,自動(dòng)脫離Rx,回到原先的狀態(tài).
五:A7105與MCU進(jìn)行RF通信的實(shí)現(xiàn)方法
1．如何進(jìn)行兩個(gè)RF IC的配對(duì)(link):
在兩個(gè)RF IC進(jìn)行通信前,必須先進(jìn)行配對(duì)(Link),兩個(gè)RF IC在發(fā)射與接收數(shù)據(jù)時(shí),使用相同的ID與頻道,這樣才能夠進(jìn)行正常通信.
在對(duì)碼時(shí),通常情況下Master與Slave應(yīng)用一個(gè)相同的頻率,例如Master用做Tx時(shí)設(shè)定的頻率為2.405GHz,Slave用做Rx時(shí)設(shè)頻率為2.4055MHz.即Tx應(yīng)比Rx高一個(gè)帶寬（500KHz）。
Link的步驟如下:
主機(jī)（Key/mouse端）

在從機(jī)端，只有進(jìn)入對(duì)碼模式時(shí)，則進(jìn)入rx_mode，檢測是否有接收到ID碼，如果接收到后，將工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換至Tx_mode，向主機(jī)發(fā)送默認(rèn)的數(shù)據(jù),表示對(duì)碼OK,同時(shí)將接收到的RF ID進(jìn)行保存.    
2．RF抗干擾的相關(guān)處理
1）：跳頻與擴(kuò)頻的區(qū)別
跳頻的STEP為20MHz。
　　直擴(kuò)頻：直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，簡稱直擴(kuò)方式（DS方式）。就是用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。
直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。接受機(jī)在收到發(fā)射信號(hào)后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來到偽碼精確相位，并由次產(chǎn)生跟發(fā)送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位，作為本地解擴(kuò)信號(hào)，以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個(gè)直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收。
跳頻：跳頻技術(shù)與直序擴(kuò)頻技術(shù)完全不同，是另一種意義上的擴(kuò)頻。跳頻的載頻受一個(gè)偽隨機(jī)碼的控制，在其工作帶寬范圍內(nèi)，其頻率合成器按PN碼的隨機(jī)規(guī)律不斷改變頻率。在接收端，接收機(jī)頻率合成器受偽隨機(jī)碼控制，并保持與發(fā)射端變化規(guī)律相同?！?
    跳頻是載波頻率在一定范圍內(nèi)不斷跳變意義上擴(kuò)頻，而不是對(duì)被傳送信息進(jìn)行擴(kuò)譜，不會(huì)得到直序擴(kuò)頻的處理增益。跳頻相當(dāng)于瞬時(shí)的窄帶通信系統(tǒng)，基本等同于常規(guī)通信系統(tǒng)，由于不能抗多徑，同時(shí)發(fā)射效率低，同樣發(fā)射功率的跳頻系統(tǒng)在有效傳輸距離上小于直擴(kuò)系統(tǒng)。跳頻的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾，定頻干擾只會(huì)干擾部分頻點(diǎn)。用于語音信息的傳輸，當(dāng)定頻干擾只占一部分時(shí)不會(huì)對(duì)語音通信造成很大的影響。
跳速的高低直接反映跳頻系統(tǒng)的性能，跳速越高抗干擾的性能越好，軍事上的跳頻系統(tǒng)可以達(dá)到每秒上萬跳。實(shí)際上移動(dòng)通信GSM系統(tǒng)也是跳頻系統(tǒng)，其規(guī)定的跳速為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統(tǒng)跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統(tǒng)可以簡單的實(shí)現(xiàn)，因此低速無線局域網(wǎng)產(chǎn)品常常采用這種技術(shù)?！?
2）：RF IC在通信中實(shí)現(xiàn)抗干擾的兩種種方法
通常情況下,嚴(yán)格意義上的跳頻只用在軍用與高端的GSM等無線通信系統(tǒng)中，對(duì)于成本低的RF通信系統(tǒng)，因?yàn)槠浔旧淼膫鬏斁嚯x近(10M內(nèi)),相互之間的干擾就小,所以可以采取讓Tx多次發(fā)射直到Rx收到并返回接收標(biāo)志位為止。另外一種采用的是有限跳頻的工作方式，即在傳送完成數(shù)據(jù)后，判斷Rx是否接收到，如果沒有接收到，則改變傳送的頻率（例如增加20MHz），再向Rx發(fā)一個(gè)同步信號(hào)，然后繼續(xù)傳送。這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，但是抗干擾性比嚴(yán)格意義上的跳頻方式差.
3．MCU通過RF IC進(jìn)行通信的方式
將兩個(gè)RF芯片對(duì)碼后，就可以用來傳送數(shù)據(jù)了。Rx先將收到的信號(hào)解調(diào)出來，再與自身存的RF ID碼進(jìn)行確認(rèn)，判斷一致后，才開始存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)的FEC或CRC位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。接收完成后,MCU讀取Rx的FIFO,即可得到傳送的數(shù)據(jù).
兩種傳送數(shù)據(jù)的模式是：Direct mode與FIFO mode。
六:RF IC(A7105)的工作狀態(tài)及相互轉(zhuǎn)換
  A7105 RF CHIP有6個(gè)主要的state,sleep state,STB state,WPLL state,TX state ,CAL state.
1.       SLEEP state:當(dāng)進(jìn)入sleep state時(shí)，chip內(nèi)部參考電壓源（band gap）及crystal振蕩電路會(huì)關(guān)閉。
2.       STB state：STB state包含IDLE mode，Standby mode和PLL mode。RF IC依據(jù)strobe command來進(jìn)到任一個(gè)mode。
1）  IDLE mode時(shí)，IC內(nèi)部參考電壓源開啟，而crystal及PLL關(guān)閉
2）  Standby mode：當(dāng)Power on或reset時(shí)，RF IC會(huì)進(jìn)入standby mode，此時(shí)regulator，參考電源與crystal開啟
3）  PLL mode：IC內(nèi)部參考電壓源，振蕩與PLL都開啟。
3.       WPLL(waiting PLL)state：當(dāng)任何state進(jìn)入TX/TX state時(shí),會(huì)依據(jù)目前的state或是控制暫存器PLL I,PLLII,PLL III,PLL IV設(shè)定值是否變動(dòng),而進(jìn)入此state或是直接bypass該state,進(jìn)入Tx/Rx state.
4.       TX/RX state:RF IC會(huì)依照門控命令(strobe command)來決定進(jìn)入TX或是RX state.
當(dāng)使用RFO mode工作在TX STATE時(shí),RF chip會(huì)自動(dòng)將TX封包(Preamble+ID+TX FIFO payload)傳送出去,若傳送結(jié)束,RF chip會(huì)回到原先的state.
當(dāng)使用FIFO mode工作在RX state時(shí),RF chip會(huì)進(jìn)入RX state等待Tx資料,若Tx端確實(shí)有發(fā)射資料,則當(dāng)ID code判斷正確后且收到設(shè)定的資料長度后,RF chip會(huì)自動(dòng)回到原先的state.
5.       CAL state:在CAL state中,有三個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)項(xiàng)目,在STB state下,當(dāng)相應(yīng)的寄存器被使能時(shí),會(huì)進(jìn)入到IF filter校準(zhǔn),VCO band,VCO 電流校準(zhǔn)程序.完成校準(zhǔn)程序后,相應(yīng)的標(biāo)志位清零,且回到STB state.
七:RF IC（A7105）應(yīng)用需注意的事項(xiàng)
1．  A7105的工作電流與工作電壓，以及如何進(jìn)入省電模式
當(dāng)IC工作在Rx狀態(tài)時(shí)，最大耗電流：16mA；工作在Tx狀態(tài)時(shí)，最大耗電流：19mA；
RF輸出最大功率：0dbm；
在傳送/接收完數(shù)據(jù)后，如果系統(tǒng)想達(dá)到省電之目地，可以進(jìn)入SLEEP 模式，耗電流<1uA.
RF IC在完成工作后,可以直接由MCU發(fā)送Strobe命令使其進(jìn)入SLEEP狀態(tài),但是應(yīng)注意,在進(jìn)入SLEEP狀態(tài)之前,先進(jìn)行TWOR或WOR的設(shè)定.
2.       省電模式的工作過程(TWOR與WOR簡介)
TWOR(Wake up On Radio using Timer): RF IC內(nèi)建一個(gè)Timer與一個(gè)低速的RC OSC,當(dāng)系統(tǒng)想要省電時(shí),就可以讓系統(tǒng)進(jìn)入SLEEP狀態(tài),之后每間隔一定時(shí)間,發(fā)一個(gè)信號(hào)喚醒MCU重新回復(fù)工作狀態(tài),處理RF事件,這就是TWOR功能.
WOR(Wake up On Radio): 也是利用RF IC內(nèi)建Timer或低速RC OSC,當(dāng)時(shí)間到后,只喚醒RF IC進(jìn)入工作狀態(tài),除非有收到信號(hào)才喚醒MCU起來接收數(shù)據(jù).
3.       Data傳送速率:
最小的傳送速率為:10KBps,最大為500KBps,但是在傳送數(shù)據(jù)時(shí),越接近傳送速率的上限,則Rx端的接收靈敏度就越低.即在滿足最小傳送速率的情況下,適當(dāng)?shù)慕档蛡魉退俾?可以提高Rx接收靈敏度,擴(kuò)大接收的距離.
4.       RF IC(A7105)的工作頻率與工作頻道數(shù)
A7105的工作頻率為2400~2483MHz,即在初始化Tx/Rx時(shí),必須將工作頻率設(shè)定在此范圍之內(nèi).
每個(gè)頻道占用的帶寬為500KHz,即在2400~2483頻率范圍內(nèi),有約160個(gè)頻道.
5.       在設(shè)定Tx與Rx工作頻率以及在工作過程中相互轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)始終保證Rx與Tx相比，頻率相差一個(gè)中頻（對(duì)于A7105，是500KHz），這點(diǎn)與其它的RF系統(tǒng)是一樣的。
6.       A7105的應(yīng)用范圍
作為一個(gè)低成本的RF發(fā)射/接收的方案,A7105應(yīng)用一相對(duì)傳輸數(shù)據(jù)量不大,要求成本低,待機(jī)電流小的場合.例無線遙控,無線鼠標(biāo),無線鍵盤以及無線搖桿等。