基于無線發(fā)射芯片A7105的RF短距離通信

　　摘要:本文對短距離RF的主流幾種通信方式作了介紹，比較了各自的優(yōu)缺點，以及采用低價RF專有方案的優(yōu)點。同時基于無線發(fā)射芯片A7105(SH38L05)的RF短距離通信方案做了較為詳細的介紹。

　　一:主流的三種RF方案及其優(yōu)缺點比較

　　1)：藍牙方案(IEEE802.15)

　　藍牙協(xié)議允許數(shù)據(jù)在1個主設備和最多7個從設備，最高傳輸速率為723kbit/s。不過，實際實際的速率會比這個數(shù)值小。

　　高斯頻移鍵控(GFSK)調制模式，在2.4G頻段內使用83個1Mbps的頻道。在送到載波之前，GFSK在基帶信號上使用高斯過濾?？梢云交唠娖?"1")低電平("0")。與頻移鍵控(FSK)的直接方法相比，可以給傳輸信號提供一個較狹和"更干凈"的頻譜。

　　藍牙設備有三種基本功率電平：1級(100米線視距)、2級(10米)和3級(2-3米)。目前常用的設備為2級。

　　在藍牙網絡中的每一個設備都有一個獨一無二的48比特識別號碼。第一個識別設備(通常在2秒鐘內)成為主設備，接著設定為在頻段中每秒使用1600次，所有網絡中的其他設備將與這個主設備鎖定并與其同步。主設備以偶時隙傳送，從設備以奇時隙響應。網絡中的從設備將被分配一個地址，并收聽屬于自己的時隙和地址信息。

　　從設備也可以進入低功耗的可能進入功率"探測"，"保持"和"停止"模式。在探測模式中，設備僅僅在指定的探測時隙中靜聽，但是保持同步。在保持模式中，設備進行收聽來確定自身是否需要激活。在停止模式中，設備放棄它的地址。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，設備失去同步，同時重新建鏈將需要等待時間，這將耗時幾秒鐘，如果用戶要求快速響應，這無疑是一個缺點。

　　藍牙標準包括一系列的應用領域可供選擇。不過，所有藍牙的應用，都必須得到認可，并符合藍牙標準，同時，所有用戶必須是藍牙特別的成員。

　　由于來自藍牙專業(yè)組的商業(yè)壓力，大部分應用領域都適用于移動電話上的媒體和文件的傳輸應用。因此，應用藍牙來開發(fā)一些較為簡單的應用是價值不高并且沒有實用價值的。

　　2)：ZigBee(IEEE802.15.4)

　　ZigBee是最近推出的RF標準，為大量多節(jié)點、低功耗、低速率的無線監(jiān)控應用而開發(fā)。

　　本標準定義為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饳C制以及其他技術以保持信息的可靠性。ZigBee無須藍牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。

　　像藍牙那樣，ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段(5MHz 16頻道)內。本標準也提供在歐洲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)

　　專有方案采用藍牙的信道模式。專有方案將2.400~2.483GHz之間頻帶分成166個500KHz帶寬的頻道，而藍牙分成83個頻道，ZigBee為16頻道相比(參見圖2)，與藍牙與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候有更多可用頻率。

　　干擾處理

　　所有三種無線技術，即藍牙、ZigBee和專有方案，都有減少在相同頻段工作的RF設備干擾的機制。

　　藍牙具有頻率跳躍擴頻(FHSS)機制，能確保79個1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾。

　　ZigBee利用它的16個頻段對付窄帶干擾，因此當如果有其他802.11b/g設備的存在時，就更容易受到干擾，這就可能需要等待其他設備終止發(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雜性，專有方案不采用擴頻模式，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)送一個單字節(jié)命令即可。

　　有了166個500KHz頻道，就可以避開其他設備應用上的傳送頻率而重新分配頻率，即使在機場那樣的"熱點"，在幾分鐘乃至幾個小時內，頻率的重新分配頻率也并不頻繁。

　　至于無線鼠標，鄰頻抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠標(TX)到USB接收器(RX)的距離是從干擾源算起的一半，一般就不會產生干擾。這是因為根據(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，采用藍牙方案與ZigBee方案的缺點：第一，為了符合標準，您得達到標準，這將使您付出高昂的NRE費用，用來開始設計和測試兼容性。第二，由于它的特性，標準必須是"一個尺碼天下通用"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，很難分辨您的產品的優(yōu)勢。最后，標準提供的設計靈活性很小;例如在在您的RF產品上進行降低功耗的工作將會受到限制。

　　專有方案的優(yōu)點：成本低,在要求一種產品需要電池壽命長和通信可靠以及實現(xiàn)低占空比方面，nRF專有方案比藍牙和ZigBee做得更好。

　　有關的名詞的解釋:

　　FSK：頻移鍵控，指用數(shù)字信號去調制載波的頻率。其主要優(yōu)點是：實現(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用。

　　GFSK：是高斯頻移鍵控的簡寫，在調制之前通過一個高斯低通濾波器來限制信號的頻譜寬度。

　　二:RF IC(A7105)的主要性能

　　工作頻率：2400~2483MHz ISM頻段(全球免許可申請頻段)。工作距離:10m內;

　　頻道距離: 500KHz,一共可存在的頻道數(shù):~160個，即可以有效設定的頻率范圍是2400~2483MHz，每500KHz間隔可以設定一個頻道,在同一空間里的不同RF設備,可以通過跳頻來設定讓其不在一個頻道工作，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; 基本應用：鼠標，鍵盤，玩具等。

　　數(shù)據(jù)傳輸速率：最高500Kbps;

　　基本應用：鼠標，鍵盤，玩具等。

　　三:RF系統(tǒng)示意圖及與MCU的接口定義

　　對于RF IC—A7015，其控制是通過SPI(3或4線)串介面操作讀出或寫入資料(SCS,SCK,DIO或GIOx).如果想使用4線串列介面時,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;

　　SDIO：SPI data信號;

　　GIO1：多工信號輸入/輸出1，SPI data1;

　　GIO2：多工信號輸入/輸出2：SPI data2;

　　MCU與RF IC是通過SPI進行通信的，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相應的寄存器設定。

　　Direct mode：提供使用者一個RF通道，在Tx端系統(tǒng)將資料傳送給RF DATA IO PIN，RF僅將資料做調制，然后發(fā)射出去。RX端采用數(shù)位解調方式，還原資料。

　　FIFO mode：時序如下：

　　1)：Tx數(shù)據(jù)的傳送時序：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)的傳送時序：寫入命令，使RF IC進入到Rx狀態(tài)，當接收到相同的ID CODE后PIN RX_SYN會置為1,此時,接收到的data開始寫入Rx FIFO,完成一資料包接收后,自動脫離Rx,回到原先的狀態(tài).

　　五:A7105與MCU進行RF通信的實現(xiàn)方法

　　1.如何進行兩個RF IC的配對(link):

　　在兩個RF IC進行通信前,必須先進行配對(Link),兩個RF IC在發(fā)射與接收數(shù)據(jù)時,使用相同的ID與頻道,這樣才能夠進行正常通信.

　　在對碼時,通常情況下Master與Slave應用一個相同的頻率,例如Master用做Tx時設定的頻率為2.405GHz,Slave用做Rx時設頻率為2.4055MHz.即Tx應比Rx高一個帶寬(500KHz)。

　　Link的步驟如下:

　　主機(Key/mouse端)

　　在從機端，只有進入對碼模式時，則進入rx_mode，檢測是否有接收到ID碼，如果接收到后，將工作狀態(tài)轉換至Tx_mode，向主機發(fā)送默認的數(shù)據(jù),表示對碼OK,同時將接收到的RF ID進行保存.

　　2.RF抗干擾的相關處理

　　1)：跳頻與擴頻的區(qū)別

　　跳頻的STEP為20MHz。

　　直擴頻：直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴方式(DS方式)。就是用高速率的擴頻序列在發(fā)射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。

　　直接序列擴頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進行調制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經過信道編碼后，與偽噪聲序列進行模2和生成復合碼去調制載波。接受機在收到發(fā)射信號后，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，作為本地解擴信號，以便能夠及時恢復出數(shù)據(jù)信息，完成整個直擴通信系統(tǒng)的信號接收。

　　跳頻：跳頻技術與直序擴頻技術完全不同，是另一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內，其頻率合成器按PN碼的隨機規(guī)律不斷改變頻率。在接收端，接收機頻率合成器受偽隨機碼控制，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不斷跳變意義上擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當于瞬時的窄帶通信系統(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系統(tǒng)。跳頻的優(yōu)點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用于語音信息的傳輸，當定頻干擾只占一部分時不會對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)可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信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)可以簡單的實現(xiàn)，因此低速無線局域網產品常常采用這種技術。

　　2)：RF IC在通信中實現(xiàn)抗干擾的兩種種方法

　　通常情況下,嚴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，對于成本低的RF通信系統(tǒng)，因為其本身的傳輸距離近(10M內),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)一個同步信號，然后繼續(xù)傳送。這種方式實現(xiàn)簡單，但是抗干擾性比嚴格意義上的跳頻方式差.

　　3.MCU通過RF IC進行通信的方式

　　將兩個RF芯片對碼后，就可以用來傳送數(shù)據(jù)了。Rx先將收到的信號解調出來，再與自身存的RF ID碼進行確認，判斷一致后，才開始存儲接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應的FEC或CRC位對數(shù)據(jù)進行校驗。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)及相互轉換

　　A7105 RF CHIP有6個主要的state,sleep state,STB state,WPLL state,TX state ,CAL state.

　　1. SLEEP state:當進入sleep state時，chip內部參考電壓源(band gap)及crystal振蕩電路會關閉。

　　2. STB state：STB state包含IDLE mode，Standby mode和PLL mode。RF IC依據(jù)strobe command來進到任一個mode。

　　1) IDLE mode時，IC內部參考電壓源開啟，而crystal及PLL關閉

　　2) Standby mode：當Power on或reset時，RF IC會進入standby mode，此時regulator，參考電源與crystal開啟

　　3) PLL mode：IC內部參考電壓源，振蕩與PLL都開啟。

　　3. WPLL(waiting PLL)state：當任何state進入TX/TX state時,會依據(jù)目前的state或是控制暫存器PLL I,PLLII,PLL III,PLL IV設定值是否變動,而進入此state或是直接bypass該state,進入Tx/Rx state.

　　4. TX/RX state:RF IC會依照門控命令(strobe command)來決定進入TX或是RX state.

　　當使用RFO mode工作在TX STATE時,RF chip會自動將TX封包(Preamble+ID+TX FIFO payload)傳送出去,若傳送結束,RF chip會回到原先的state.

　　當使用FIFO mode工作在RX state時,RF chip會進入RX state等待Tx資料,若Tx端確實有發(fā)射資料,則當ID code判斷正確后且收到設定的資料長度后,RF chip會自動回到原先的state.

　　5. CAL state:在CAL state中,有三個獨立的校準項目,在STB state下,當相應的寄存器被使能時,會進入到IF filter校準,VCO band,VCO 電流校準程序.完成校準程序后,相應的標志位清零,且回到STB state.

　　七:RF IC(A7105)應用需注意的事項

　　1. A7105的工作電流與工作電壓，以及如何進入省電模式

　　當IC工作在Rx狀態(tài)時，最大耗電流：16mA;工作在Tx狀態(tài)時，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)想達到省電之目地，可以進入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命令使其進入SLEEP狀態(tài),但是應注意,在進入SLEEP狀態(tài)之前,先進行TWOR或WOR的設定.

　　2. 省電模式的工作過程(TWOR與WOR簡介)

　　TWOR(Wake up On Radio using Timer): RF IC內建一個Timer與一個低速的RC OSC,當系統(tǒng)想要省電時,就可以讓系統(tǒng)進入SLEEP狀態(tài),之后每間隔一定時間,發(fā)一個信號喚醒MCU重新回復工作狀態(tài),處理RF事件,這就是TWOR功能.

　　WOR(Wake up On Radio): 也是利用RF IC內建Timer或低速RC OSC,當時間到后,只喚醒RF IC進入工作狀態(tài),除非有收到信號才喚醒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,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?shù)慕档蛡魉退俾?可以提高Rx接收靈敏度,擴大接收的距離.

　　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,必須將工作頻率設定在此范圍之內.

　　每個頻道占用的帶寬為500KHz,即在2400~2483頻率范圍內,有約160個頻道.

　　5. 在設定Tx與Rx工作頻率以及在工作過程中相互轉換時，應始終保證Rx與Tx相比，頻率相差一個中頻(對于A7105，是500KHz)，這點與其它的RF系統(tǒng)是一樣的。

　　6. A7105的應用范圍

　　作為一個低成本的RF發(fā)射/接收的方案,A7105應用一相對傳輸數(shù)據(jù)量不大,要求成本低,待機電流小的場合.例無線遙控,無線鼠標,無線鍵盤以及無線搖桿等。