RF FEM如何擴(kuò)大用于IoT短程無線電系統(tǒng)

低功耗藍(lán)牙和 zigbee 等廣泛使用的 2.45 GHz 短程無線電系統(tǒng)是特別適合物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的成熟技術(shù)。雖然此頻段中的無線電確實(shí)具有良好的穿墻能力和覆蓋范圍特性，但在某些應(yīng)用中(例如在有些節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)射集線器的智能照明中)仍然存在一些挑戰(zhàn)，迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不考慮范圍擴(kuò)展方案。

擴(kuò)大這些系統(tǒng)覆蓋范圍的解決方案包括兩種：其一為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，借以將信號從一個(gè)節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn);其二為相關(guān)技術(shù)，例如藍(lán)牙 5 的誤差校正算法，它可以限制比特誤碼率 (BER)。不過，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)會增加復(fù)雜性，而藍(lán)牙 5 的范圍擴(kuò)展則以降低數(shù)據(jù)速率為代價(jià)。請參見“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 1 部分)”。

替代型范圍擴(kuò)展解決方案是將低噪聲放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA) 與射頻芯片組合，從而提高無線電的“鏈路預(yù)算”。選擇包含 LNA 或 LNA + PA 的射頻前端模塊 (FEM)、射頻開關(guān)以及采用經(jīng)過測試的預(yù)組裝封裝的邏輯器件，能讓放大設(shè)計(jì)變得容易。

不過，這種解決方案也存在一些缺點(diǎn)，包括成本和尺寸都會有所增加，功耗也更高。設(shè)計(jì)人員還必須考慮美國 FCC 規(guī)范和有關(guān)公共射頻頻段中傳輸功率的其他國際規(guī)范。

本文介紹 RF FEM 如何擴(kuò)大用于 IoT 應(yīng)用的短程無線電系統(tǒng)的覆蓋范圍，討論其與替代方案相比的缺點(diǎn)，并通過應(yīng)用示例說明設(shè)計(jì)流程。

2.4 GHz 工作頻率的權(quán)衡

低功耗藍(lán)牙或 zigbee 等無線電技術(shù)基于一系列的權(quán)衡，正是這些權(quán)衡造成了限制范圍。首先，該技術(shù)利用的是“2.4 GHz”(以 2.45 GHz 為中心)工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 公共頻段，該頻段得到全球認(rèn)可并可供任何一方免費(fèi)使用。

第一個(gè)權(quán)衡之處是，雖然千兆赫頻率支持的頻寬更高，但覆蓋范圍會成比例縮小。也就是說，在相同的功率輸出下，2.4 GHz 無線電信號的傳輸距離不如在 915 MHz(另一種美國 ISM 頻率)下工作的無線電信號的傳輸距離遠(yuǎn)。

第二個(gè)權(quán)衡之處是，由于要與許多其他無線電源共用頻段，2.4 GHz ISM 頻段無線電面臨著發(fā)射器功率方面的限制。相關(guān)規(guī)定很復(fù)雜，但基本上是這樣規(guī)定的：跳頻頻率數(shù)少于 75 個(gè)但至少達(dá)到 15 個(gè)(低功耗藍(lán)牙有 40 個(gè))的跳頻系統(tǒng)，在其天線輸入處測量的峰值發(fā)射功率必須限定為 +21 dBm;若全向天線增益大于 6 dBi，則輸出還須有所降低。這樣，最大等效全向輻射功率 (EIRP) 就是 +27 dBm。1

第三個(gè)權(quán)衡之處是，低功耗藍(lán)牙和 zigbee 所采用的設(shè)計(jì)通過限制功耗來最大限度地延長電池壽命。這一特性適用于有許多節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，例如大型辦公樓中的無線照明，因?yàn)樗梢詼p少維護(hù)工作。限制無線電處于高功率發(fā)射或接收狀態(tài)的時(shí)間可節(jié)約大量電能，但射頻芯片制造者也可以通過將低功耗藍(lán)牙發(fā)射功率限定為 +4 dBm 來節(jié)能(此為通常情況，有時(shí)也可限定為 +8 dBm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相關(guān)規(guī)范允許的 +21 dBm)。

信噪比 (SNR) 可衡量接收器從環(huán)境噪聲中正確提取并解碼信號的能力。在閾值 SNR 下，BER 會超過無線電的規(guī)格，導(dǎo)致通信失敗。例如，按照低功耗藍(lán)牙接收器的設(shè)計(jì)，其最大 BER 容差僅 0.1% 左右。根據(jù)以下公式，SNR 是比特能量與噪聲密度比之比 (Eb/No)、數(shù)據(jù)速率 (R) 和接收帶寬 (B) 的函數(shù)：

公式 1

當(dāng)代低功耗藍(lán)牙和 zigbee 收發(fā)器兼具高接收靈敏度和可調(diào)輸出功率的優(yōu)點(diǎn)以提高鏈路預(yù)算，從而使 SNR 達(dá)到最大。Nordic Semiconductor nRF52832 和 Texas Instruments CC2538 等現(xiàn)代 2.4 GHz SoC 具有相似的最大鏈路預(yù)算，介于 100 至 110 dBm 之間。根據(jù)應(yīng)用情況以及無線產(chǎn)品的射頻電路和天線設(shè)計(jì)水平，此類芯片在理想情況下有助于實(shí)現(xiàn) 80 至 100 米的覆蓋范圍，典型住宅因墻壁和天花板會吸收射頻輻射并且存在其他 2.4 GHz 無線電源的干擾，所以覆蓋范圍在 10 至 30 米。在大型住宅中，例如無線照明節(jié)點(diǎn)等很容易就會位于控制器集線器的覆蓋范圍界限上，削弱可靠的性能和日后的系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

擴(kuò)大范圍

在低功耗藍(lán)牙或 zigbee 應(yīng)用中擴(kuò)大覆蓋范圍有一些替代方案。一種是采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，借以在節(jié)點(diǎn)之間中轉(zhuǎn)信號，從而確保系統(tǒng)向外的延伸絕不會超出覆蓋范圍。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還具備內(nèi)置冗余(故障節(jié)點(diǎn)不會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，因?yàn)榭梢暂p松地改變信號路線)和縮放簡單的優(yōu)勢。其缺點(diǎn)是復(fù)雜性和項(xiàng)目費(fèi)用大幅增加。

另一種解決方案是內(nèi)置封包傳輸誤差校正功能，以便在信號通常會淹沒于噪聲中的情況下降低 BER。這正是最新版本(第 5 版)低功耗藍(lán)牙技術(shù)中用于擴(kuò)大覆蓋范圍的技術(shù)。其缺點(diǎn)是校正后的封包需要更大的系統(tǒng)開銷，因此會犧牲帶寬。

第三種方案是提高 SNR，進(jìn)而提高鏈路預(yù)算并擴(kuò)大覆蓋范圍。假設(shè)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)采用正確的射頻電路設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)射頻 SoC 或模塊的最佳性能，那么下一步就要采用 RF FEM。請參見“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(第 2 部分)”。

收發(fā)器的噪聲系數(shù) (NF) 用于量化其在噪聲環(huán)境中處理信號的能力，它在某種程度上決定了收發(fā)器接收信號的靈敏度。將收發(fā)器與 LNA 配合使用可降低 NF 并提高靈敏度。

使用整合了 LNA、已經(jīng)組裝好并經(jīng)過測試和認(rèn)證的模塊化 RF FEM 是最行之有效的簡單電路集成方法。適合該任務(wù)的 RF FEM 有許多選擇。 例如，Skyworks 提供適用于低功耗藍(lán)牙、IEEE 802.15.4 和 zigbee 應(yīng)用的 SKY66113-11(圖 1)。該芯片集成了高增益 LNA、發(fā)射旁路通路和數(shù)字控制功能。增益通常為 12 dB，NF 為 2 dB。

Skyworks 的 SKY66113-11 示意圖

圖 1： Skyworks 的 SKY66113-11 將 LNA 與數(shù)字控制集成。該器件還使用了旁路開關(guān)，讓系統(tǒng)可以根據(jù)需要在無 LNA 的情況下工作。(圖片： Skyworks)

以一個(gè)包含 Nordic Semiconductor nRF52832 和 SKY66113-11 的系統(tǒng)為例。按照規(guī)格，在鏈路預(yù)算為 100 dB 時(shí)，該射頻芯片的最大靈敏度為 -96 dB，最大輸出功率為 4 dB。Nordic 的規(guī)格書中不包含 NF 數(shù)據(jù)，但此類芯片的典型值約為 8 dB。

因此，該系統(tǒng)的 NF 為：

等式 2

這樣的提高將顯著擴(kuò)大覆蓋范圍。為便于比較，在類似的應(yīng)用中，靈敏度提高 6 dB 可以擴(kuò)大近一倍的覆蓋范圍。

增加功率放大器

除了使用 LNA 提高靈敏度外，還可以同時(shí)在發(fā)射器端上使用 PA 來擴(kuò)大覆蓋范圍。目前，市面上提供同時(shí)集成了 LNA 和 PA 的 RF FEM。例如，TI 為其用于低功耗藍(lán)牙和 zigbee 的 2.4 GHz 射頻收發(fā)器提供 CC2592 增程器。除 LNA 和 PA 外，CC2592 FEM 還包含射頻開關(guān)、射頻匹配和片上平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，用于與 CC2538 zigbee/6LoWPAN (IEEE 802.15.4) 收發(fā)器等器件配合使用(圖 2)。

與 CC2538 射頻 SoC 配合使用的 Texas Instruments CC2592 增程器示意圖

圖 2： 將 CC2592 增程器與 CC2538 射頻 SoC 配合使用非常簡單。在這種布局中，天線和匹配電路直接連接到增程器而非射頻 SoC。