用于無線遙控的RF技術(shù)的設(shè)計介紹

無線正迅速成為人機界面的首選技術(shù)。用戶更頻繁地需要能夠波動遠程控制單元以對系統(tǒng)進行更改。本文介紹了可用于無線遙控的RF技術(shù)，從Zigbee RF4CE到無鑰匙進入系統(tǒng)。

遙控器正在發(fā)生變化。它們不再是簡單的紅外鍵盤，而是整個工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計中越來越重要的元素。明顯更長的距離并且不需要視線，這有助于遙控器無線電的普及。

所有這些主要是由無線技術(shù)的改進，特別是電池壽命的推動，以及處理新協(xié)議的處理能力和遙控器轉(zhuǎn)移到無線電所需的安全性。

Zigbee變體RF4CE等新協(xié)議允許主流工業(yè)和家庭自動化無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于遠程控制，將批量生產(chǎn)和領(lǐng)先的硅處理技術(shù)的優(yōu)勢帶入細分市場。但是，高效低數(shù)據(jù)速率RF設(shè)備有更多機會提供低功耗和長電池壽命，這對于遠程控制應(yīng)用至關(guān)重要。較低的頻率允許較長的范圍或相同的范圍和較低的功率，因此提高電池壽命。

由于這些器件比2.4 GHz Zigbee設(shè)計更簡單，因此它們可以實現(xiàn)更高的集成度，通過減少外部元件來降低功耗，降低芯片移動的功耗，并通過更高的集成度和體積降低成本。這反過來有助于將更多遠程控制驅(qū)動到諸如無鑰匙進入系統(tǒng)之類的應(yīng)用中，以取代日常鎖。

Silicon Labs開發(fā)了片上系統(tǒng)（SoC）發(fā)送器，如Si4010單片機遙控集成電路（IC），大大簡化了遙控器設(shè)計過程，減少了系統(tǒng)物料清單（BOM） ）通過消除對眾多分立元件的需求而降低成本。

圖1：RF遙控器的簡化框圖。

所有RF遙控器都具有共同的功能，如圖1中的簡化框圖所示.RF遙控器的基本組件是用戶輸入命令的按鈕，用于處理用戶命令的微控制器單元（MCU）數(shù)字信息，用于調(diào)制和發(fā)送信息的RF發(fā)送器（RF TX），天線和電池，為遙控器提供電源。制造商在設(shè)計射頻遙控器時面臨的共同挑戰(zhàn)是提供一致的最大傳輸范圍，確保較長的電池壽命，并保持較低的系統(tǒng)成本。

最大化傳輸范圍涉及傳輸盡可能多的功率，同時為接收器提供出色的靈敏度。

從遙控器方面，設(shè)計目標是將RF輸出功率設(shè)置為政府限制，允許制造公差和用戶對輸出功率的影響。這可以降低遙控器的有效輻射功率（ERP），并使輸出功率低于極限6 dB并使范圍減半。

圖2：Si4010天線調(diào)諧框圖。

Silicon Labs Si4010變送器是業(yè)界首款單芯片遠程控制IC，僅需一個外部旁路電容，印刷電路板（PCB），電池和帶按鈕的外殼，形成完整的遙控器。它包括一個獲得專利的天線調(diào)諧電路，可以自動微調(diào)天線，以便在每次按下按鈕時獲得最佳發(fā)射功率，以補償這些真實世界的變化。

這是通過調(diào)整片上可變電容來與天線的電感共振來實現(xiàn)的，以最大化遙控器的發(fā)射功率。它還具有通過放寬PCB天線的制造公差來降低設(shè)計成本的好處。

功率放大器（PA）中還包含一個額外的反饋環(huán)路，通過監(jiān)測PA輸出端的電壓并調(diào)節(jié)PA的電流驅(qū)動來維持恒定的輸出功率，以補償天線阻抗的變化。該反饋回路用于在溫度變化和“手部效應(yīng)”的情況下保持恒定的輸出功率，如上所述，當人的手覆蓋遙控器時，其改變天線阻抗。天線調(diào)諧的最終結(jié)果是在每個按鈕按壓時提供始終如一的可靠和最佳性能，同時降低RF匹配要求的成本和設(shè)計復(fù)雜性。

當遙控器等待輸入時的靜態(tài)功率是此類設(shè)計的關(guān)鍵指標，而Si4010在室溫下的功耗不到10 nA。這有助于通過觸摸喚醒GPIO端口來進一步降低遙控器的電流消耗并延長電池壽命。

在傳輸過程中，Si4010在開關(guān)鍵控（OOK）模式下消耗14.2 mA，在頻移鍵控（FSK）模式下消耗19.8 mA，同時以+10 dBm輸出功率進行傳輸。對于1 kBaud的數(shù)據(jù)速率，每個數(shù)據(jù)包長100位，每按一次按鈕重復(fù)三次，我們得到以下結(jié)果：連續(xù)五年每天按50次按鈕，我們只使用52％的費用在OOK模式下的220 mAhr CR2032電池和FSK模式下71％的電量。

例如，飛思卡爾開發(fā)了一款評估板，ZSTAR3將多個數(shù)字和模擬加速度計板與RF ZigBee 2.4 GHz通信鏈路相結(jié)合，連接到連接到PC的單個USB節(jié)點。

USB節(jié)點是ZSTAR設(shè)計的關(guān)鍵部分，因為它提供了支持多個節(jié)點的專用軟件。

圖3：Xstar3遠程控制評估套件。

該軟件展示了MMA7660FC加速度計的內(nèi)置智能，適用于具有定向，搖動，分接檢測，自動喚醒和自動睡眠的應(yīng)用。這鏈接到MC1321x 2.4 GHz低功耗收發(fā)器，該收發(fā)器與S08微控制器組合在一個封裝中。組合的收發(fā)器和調(diào)制解調(diào)器具有16個可選通道，以避免來自其他2.4 GHz信號源（如微波和WiFi）的干擾，以及具有多種省電模式的可編程輸出電源，以充分利用遙控器的電池。因此，它采用片內(nèi)穩(wěn)壓器工作在2 V至3.4 V，以提供RF電壓。

Atmel還擁有用于IEEE 802.15.4 ZigBee RF4CE應(yīng)用的高性能RF-CMOS 2.4 GHz無線電收發(fā)器以及其他ISM頻段的設(shè)計。

它專注于接收器靈敏度為-101 dBm的104 dB鏈路預(yù)算，以降低遙控器的輸出功率和電池壽命。輸出功率可在-17 dBm至+3 dBm范圍內(nèi)編程，并具有易于使用的接口，可通過快速SPI線路訪問寄存器，幀緩沖器和AES加密。這意味著只需要兩個微控制器GPIO線和一個來自無線電收發(fā)器的中斷引腳。收發(fā)器包括用于數(shù)據(jù)緩沖的128字節(jié)FIFO（SRAM）以及集成的Rx/Tx開關(guān)和可編程時鐘輸出。這可用于為主機微控制器提供時鐘或用作定時器參考。

有IEEE 802.15.4-2006標準的特殊硬件支持以及MAC硬件加速器。

Ember一直處于Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最前沿，其EM250是一款單芯片解決方案，集成了2.4 GHz，符合IEEE 802.15.4標準的收發(fā)器和16位XAP2b微處理器。

收發(fā)器使用的有效架構(gòu)超出了IEEE 802.15.4-2003標準規(guī)定的動態(tài)范圍要求超過15 dB。集成的接收信道濾波允許與2.4GHz頻譜中的其他通信標準共存，例如IEEE 802.11g和藍牙。集成穩(wěn)壓器，VCO，環(huán)路濾波器和功率放大器可將外部元件數(shù)量保持在較低水平。

圖4：Ember EM250 Zigbee收發(fā)器。

XAP2b微處理器是集成在EM250中的功耗優(yōu)化內(nèi)核。它支持兩種不同的操作模式 - 系統(tǒng)模式和應(yīng)用模式。 EmberZNet堆棧在系統(tǒng)模式下運行，可以完全訪問芯片的所有區(qū)域。應(yīng)用程序代碼在應(yīng)用程序模式下運行，對EM250資源的訪問受限;這允許應(yīng)用程序開發(fā)者調(diào)度事件，同時防止修改存儲器和寄存器的受限區(qū)域。該架構(gòu)可提高部署解決方案的穩(wěn)定性和可靠性。

EM250具有128 kB的嵌入式閃存和5 kB的集成RAM，用于存儲數(shù)據(jù)和程序。

為了保持ZigBee和IEEE 802.15.4-2003標準規(guī)定的嚴格時序要求，EM250將許多MAC功能集成到硬件中。 MAC硬件處理自動ACK發(fā)送和接收，自動退避延遲以及用于傳輸?shù)目臻e信道評估，以及自動過濾接收的分組。此外，EM250通過集成數(shù)據(jù)包跟蹤接口實現(xiàn)真正的MAC級調(diào)試。

為了支持用戶定義的應(yīng)用，集成了許多外設(shè)，如GPIO，UART，SPI，I2C，ADC和通用定時器。此外，還提供集成穩(wěn)壓器，上電復(fù)位電路，睡眠定時器和低功耗睡眠模式。深度睡眠模式消耗不到1μA，使產(chǎn)品可以實現(xiàn)較長的電池壽命。

最后，EM250使用非侵入式SIF模塊進行功能強大的軟件調(diào)試和XAP2b微控制器編程。

并非所有遠程控制選項都與Zigbee協(xié)議或2.4 GHz頻段配合使用。 ADI公司開發(fā)了一款低功耗，高度集成的FSK/ASK/OOK收發(fā)器，設(shè)計用于433 MHz，868 MHz和915 MHz的免許可ISM頻段，以及擬議的950 MHz日本頻段。

低功耗和低數(shù)據(jù)速率是安全遙控設(shè)計的理想選擇，ADF7020的可編程輸出功率為-16 dBm至+13 dBm，步長為0.3 dBm。

高斯數(shù)據(jù)濾波器選項可用于GFSK或G-ASK調(diào)制，可提供更高頻譜效率的調(diào)制，從而將功耗降至最低。 ADF7020還可用于執(zhí)行MSK和GMSK調(diào)制，其中MSK是FSK的特殊情況，調(diào)制指數(shù)為0.5。

圖5：ADI公司的ADF7020收發(fā)器IC。

在接收器（200 kHz）中使用低IF架構(gòu)，以最大限度地降低功耗和外部元件數(shù)量，并避免低頻干擾問題。接收器還具有正在申請專利的自動頻率控制（AFC）環(huán)路，允許PLL跟蹤輸入信號中的頻率誤差。

片內(nèi)ADC提供集成溫度傳感器，外部模擬輸入，電池電壓或RSSI信號的回讀，可在某些應(yīng)用中節(jié)省ADC。還有更簡單的協(xié)議可用于遠程控制。 Maxim的MAX7032基于晶體的小數(shù)N分頻收發(fā)器設(shè)計用于在300 MHz至450 MHz頻率范圍內(nèi)發(fā)送和接收ASK/OOK或FSK數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率高達33 kbps（曼徹斯特編碼）或66 kbps（NRZ編碼）。它在50Ω負載下產(chǎn)生+10 dBm的典型輸出功率，ASK數(shù)據(jù)的典型靈敏度為-114 dBm，F(xiàn)SK數(shù)據(jù)的靈敏度為-110 dBm。 MAX7032具有獨立的發(fā)送和接收引腳，并提供內(nèi)部RF開關(guān)，可用于將發(fā)送和接收引腳連接到公共天線。

MAX7032的一個關(guān)鍵點是發(fā)送頻率由16位小數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生，而接收器的本振（LO）由整數(shù)N PLL產(chǎn)生。這種混合架構(gòu)無需單獨的發(fā)送和接收晶體參考振蕩器，因為小數(shù)N分頻PLL允許將發(fā)射頻率設(shè)置在接收頻率的2 kHz范圍內(nèi)。小數(shù)N分頻PLL的12位分辨率允許以fXTAL/4096為步長對晶體頻率進行倍頻。這避免了小數(shù)N分頻PLL的更高電流消耗要求，并使接收器電流消耗盡可能低。

這也意味著可以對發(fā)送FSK信號進行編程以確保精確的頻率偏差，并完全消除與振蕩器拉動FSK信號產(chǎn)生相關(guān)的問題。所有頻率生成組件都集成在芯片上，只需要一個晶體，一個10.7 MHz IF濾波器和一些分立元件來實現(xiàn)完整的天線/數(shù)字數(shù)據(jù)解決方案，用于雙向遙控無鑰匙進入和遙控。

CMOS的發(fā)展使功耗降低到高度集成的RF收發(fā)器可用于遠程控制應(yīng)用的程度。從運行在ISM頻段的簡單協(xié)議到更復(fù)雜的高級協(xié)議（如2.4 GHz的Zigbee），設(shè)計人員可以通過無線技術(shù)增強人機界面。結(jié)果