RF4CE射頻遙控器的軟硬件設計

　　無線通信產品一直朝著低成本、低消耗功率、小體積等趨勢向前發(fā)展。短距離設備(Short-Range Devices )更在無線傳感器網絡(圖1)概念的推動下，帶動了市場對射頻芯片(RF IC)需求量的大增。射頻收發(fā)器(TRX)要實現低功耗設計，低電壓工作是必要條件。然而，電路效能與工作電壓有關，如何兼顧效能與低功耗是一個很大的挑戰(zhàn)。近年來，RF IC制作技術日新月異。高速、低功率元件更是眾所矚目之焦點。目前0.13um RF CMOS工藝的晶體管，其fT值可達到60GHz，這表明CMOS晶體管有足夠的能力來處理高頻信號。因此，業(yè)內的主流公司幾乎都采用RF CMOS 技術，致力于低功率 RF IC的優(yōu)化與研究。

　　本文將以笙科電子的2.4GHz IEEE 802.15.4射頻收發(fā)器(適用于Zigbee標準，RF4CE則是基于Zigbee的遙控器應用規(guī)范)為例，介紹超低功率CMOS無線射頻芯片的設計概要，從電路設計到系統觀點，說明芯片設計和應用過程中需要考慮的地方。該芯片的設計考慮必須涵蓋通訊標準規(guī)格、電路的行為模式。在接收部分，介紹了2.4GHz射頻信號從天線接收后，進入LNA放大信號，經由混頻器、濾波器、限幅器、接收端信號強度指示器(RSSI)，最后到達數字解調器，然后把接收數據存入RX-FIFO。另一方面，TX-FIFO內的數字信息經過VCO與雙點差異積分調制器調制，把調制后的射頻信號通過功率放大器(PA)放大，最后經由天線輻射出去。本文也會從系統觀點出發(fā)，討論天線與PCB硬件設計重點以及軟件控制，以幫助讀者理解如何通過A7153實現低功耗的Zigbee或RF4CE射頻網絡。

　　Zigbee調制方式與PA設計考慮

　　2.4GHz Zigbee標準定義250kbps展頻(DSSS)數據傳輸速率，并采用偏移四相移鍵調制加半正弦脈波整型調制方式，其等效于最小頻移鍵調制(MSK)。相對于相移鍵調制(PSK)或正交分頻多任務(OFDM)，MSK是一種恒包絡的調制方式，因此可以選用線性度不高但效率較高的PA以降低TX功耗。

　　TX發(fā)射器設計考慮

　　數字調制系統中，IQ調制是一種常見的架構。該架構將被調制的信號分成IQ成分，經由半正弦脈波整型及數字模擬轉換器(DAC)轉成模擬IQ信號，再通過四相混頻器升頻至RF信號。由于IQ信號使用數字電路實現，所以有較準確的調制指數，其缺點是需要較多的電路。

　　另一方面，由于2.4GHz Zigbee調制等效于MSK，而MSK可視為頻移鍵調制(FSK)的一種，所以可以利用壓控振蕩器(VCO)來實現頻移。由于不需要混頻器等電路，所以得以降低電路復雜度及功耗。VCO調制設計有兩種，一種為開回路，另一種為閉回路。開回路調制直接利用數據控制VCO頻率，而未使用鎖相環(huán)(PLL)或將PLL斷開。這樣雖可擁有較低功耗，但因頻率未被鎖住，會有惱人的頻漂問題。

　　相對而言，閉回路系統通常采用delta-sigma調制，其方法是改變PLL除頻器的除數，進而改變鎖相頻率。這種方法的VCO頻率是牢牢被鎖住的，可以解決頻漂的問題，但由于受到回路頻寬的限制，它通常適用于低數據率的系統。若要利用閉回路架構達到高數據率，可以采用雙點差異積分調制器，即在差異積分調制上加入VCO調制。數據經由差異積分調制的路徑上有低通的效果，即高頻數據會被濾掉。相對地，在VCO調制的路徑上有高通的效果。兩者互補的結果，就可完整地調制數據。

　　值得注意的是，VCO的電壓對頻率轉換曲線，會因半導體工藝而有變異，因此需要額外的校正電路來校正頻移量。若設計的VCO有較線性的電壓對頻率轉換曲線，則可大大降低校正電路的復雜度。

　　RX接收器設計考慮

　　零中頻及低中頻是易于實現集成型接收器的兩種架構。零中頻接收器是將RF信號降頻至基頻，然后用模擬數字轉換器(ADC)轉成數字信號，再用數字信號處理器(DSP)將數據解調出來。由于中頻頻率為零，因此信道選擇只需要用低Q值的低通濾波器(其消耗電流也相對較小)。但零中頻接收器也有一些缺點，例如直流偏移及閃爍噪聲。為解決這些問題，必須增加額外電路,并功耗。

　　低中頻接收器則是將RF信號降至適當的中頻，以緩解上述直流偏移及閃爍噪聲等問題。但是低中頻接收器存在映像干擾的問題，因此低中頻接收器需要映像抑制濾波器，此外信道選擇濾波器必須采用帶通濾波器(BPF)，這使得濾波器所需的Q值較高，也比較耗電。

　　與ODFM或PSK相比，FSK(或MSK)系統的最大優(yōu)勢是簡單的解調器。簡單的解調器也代表了較低功耗設計。FSK調制可用非同調解調。非同調解調器不需解調載波、不需要模擬數字轉換器(ADC)，也不需ADC之前的線性放大器或自動增益放大器(AGC)，從而可大幅降低電路復雜度及功耗。但非同調解調的靈敏度比同調解調略差1.5dB，所以解調器的選擇需依芯片接收靈敏度設計目標來取舍。

　　2.4GHz IEEE 802.15.4無線收發(fā)器實例

　　從上述綜合考慮，以笙科電子的A7153為例討論無線收發(fā)器設計實例。A7153提供了250kbps的展頻數據傳輸速率、范圍為-20至5dBm的可編程RF輸出功率，以及超高接收靈敏度(-95dBm@PER<1%)。硬件MAC提供128位AES加密和認證，以及SPI接口。這些接口使得對連接各種MCU變得非常方便。

　　A7153集成了RF IC所需的模擬電路，如VCO(良好的VCO曲線線性度提供雙點差異積分調制器在高低溫工作條件下的穩(wěn)定性)、閉回路系統PLL、PA及匹配電路、RF開關、LNA及匹配電路)、Gilbert-cell混頻器、映像抑制濾波器以及限幅器(limiter)。A7153的混頻器與LNA設計成增益可調，用來提升整體接收器線性度表現。評斷混頻器設計好壞的指標為IIP3，IIP3數值越大，代表第三階交互調制信號會干擾到欲接收信號的程度越低，也就是線性度較好。不幸的是，在射頻電路設計中，增益與線性度經常要互做取舍。

　　在天線接口部分， A7153內建的PA及LNA的腳位型態(tài)(pin configuration)上采用單端輸出入合并設計，可省去外部昂貴的平衡非平衡適配器(balun)。為達到更長的傳輸距離，笙科電子也提供CMOS工藝的集成型高功率PA(A7700，含LNA)。A7153整體電路均采用低電壓設計、低電流驅動架構，以實現低消耗功率的目標。

　　A7153集成了晶體振蕩器的負載電容及PLL濾波組件，大幅減少了外部被動元件?；l部分集成了許多功能，包含TX-FIFO與RX-FIFO、自動序碼(preamble)添加、同步碼及CRC檢查碼、展頻碼。此外，A7153內建的AES-128 硬件加速器，提供很容易實現符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全標準的CCM*模塊，并支持載波偵測多重存取/碰撞避免(CSMA/CA)機制溝通方式，具有自動應答(Auto ACK)功能、信道能量偵測(ED)及連結質量指示(LQI)，大幅降低了MCU的負擔及功耗。

　　Zigbee硬件設計原則

　　設計Zigbee射頻模塊需要用到許多微波電路知識，比如將PCB Trace等效為天線、傳輸線、阻抗匹配、信號反射、絕緣層材料選擇、駐波處理、地面(Ground Plane)完整性等。這些因素均會影響RF模塊性能表現及EMC。

　　RF PCB設計最基本的要求是把電源處理、地面完整性、RF走線、敏感電路和數字信號進行分區(qū)處理。因此，元器件布局是RF設計的關鍵。一般來說，最先處理的是RF路徑及Xtal路徑上的元器件布局。比如，兩個電感布局不要平行靠在一起，因為這將形成互感，造成信號干擾，而是最好將兩個電感放成直角排列，讓互感減到最小。其次是提供RF IC最需要的干凈電源。電源一定要濾波，電源去耦元件要盡可能靠近IC引腳并接地，并同時考慮PA啟動瞬間，瞬時大電流需求的電源問題。另外，電源走線要越短越好，并遠離RF信號線或Xtal等干擾源。(電源問題常常造成異常的RF效能與EMC問題)。

　　一般使用雙層的FR4 PCB時，會將主接地面安排于PCB下層，RF信號走在表層上。在所有PCB設計中，盡可能將數字電路遠離仿真電路是不變的原則，它同樣也適用于RF PCB設計。當一些高速信號線要穿過了破碎的地面，這絕對不是一件好事，須盡可能避免，并保持PCB下層地面的完整性。針對PCB上層的走線，亦應避免形成過多的游離地，因為它們會像一個小天線，提供干擾源侵入的路徑。在大多數情況下，可以把這些游離地去掉。

　　在笙科電子A7153的參考模塊中，PCB天線采用F型天線拓撲結構，支持全向輻射場形。為把天線的性能發(fā)揮到極致，從應用的角度來講，RF模塊的天線最好伸出母版的邊緣，RF模塊下面的母版最好不要走線。RF模塊和產品外殼的整個設計也會影響天線的性能。粗劣的設計會影響天線場形，使發(fā)送信號出現反射、折射、散射，造成傳輸距離的大幅縮短。還有一些設計指南有助于確保天線的性能，比如：不要直接在模塊的天線下面設置接地面或布銅線、天線要盡可能遠離金屬物體、PA路徑下方盡可能保有一塊完整的地面。

　　Zigbee軟件設計

　　Zigbee設備最常采用的省電方法是使傳感器進入周期性的睡眠狀態(tài)，以獲得長久的電池壽命。也就是說，A7153為進一步降低平均功耗，內建了無線喚醒機制，MCU先啟動A7153的無線喚醒機制，然后進入睡眠模式。此時，除了低功耗無線喚醒定時器仍在運作外，其余電路均自動進入睡眠模式。待定時器數到預定時間時，A7153會自動進入接收狀態(tài)，去偵測有無射頻封包。若有，則接收封包并喚醒MCU，待MCU下達進一步指令。若在某預定時間內未偵測到封包，則A7153又會自動進入睡眠模式并重新開始計時，形成周而復始的工作周期，直到接收到封包。

　　由上述可知，工作周期的長短直接影響數據傳輸效率以及能源的消耗。長工作周期可以增進數據傳輸效率，但是功耗較多;短工作周期可以節(jié)省能源消耗但傳輸效率下降。A7153提供Zigbee定義的16個射頻信道(RF4CE則是從16個信道取出三個信道，分別為2425/2450/2475MHz)，MCU只需改變A7153的一個緩存器，即可達到換頻。MCU亦可利用A7153的RSSI得知當下網絡上信號強度，計算出貼近網絡質量狀況的真正表現。此外，通過CSMA/CA溝通方式可獲得更理想的傳輸效能，同時大幅地降低封包碰撞的能量消耗。

　　Zigbee也定義了一個帶有時間同步標志的可選超幀結構、高優(yōu)先級通信的GTS機制、保障無延時或競爭的通信，并支持高達 65,000 個節(jié)點以及不同型態(tài)的網絡拓撲(星形、叢集或網狀)。極低的工作周期可以讓使用鈕扣電池的節(jié)點持續(xù)運行數年。當軟件工程師啟動AES128加密功能時，A7153僅在發(fā)射或接收數據封包時才執(zhí)行，因此平均功率仍然很低。

　　RF4CE射頻遙控器——全球新標準

　　ZigBee 聯盟主席 Bob Heile 表示：“RF4CE為電子產品制造商提供了一種全球性標準，從而簡化對各種消費電子設備的操控，并改善用戶體驗。今后，消費者將享有更大的便利，更加靈活地使用消費電子設備。”笙科電子一直很關注RF4CE的市場需求，基于A7153的高性價比方案除了具有RF4CE遙控器常見的五大優(yōu)點外，還可幫助客戶使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趨勢，取得成本優(yōu)勢。

　　RF4CE遙控器的五大優(yōu)點為：發(fā)射瞬間電流為IrDA的十分之一，因此遙控器可以有更長的電池壽命;利用雙向通訊能夠定位找不到的遙控裝置;通用指令集實現真正的互操作性，封包加密，無需使用多個遙控裝置;能夠對擺放在幾乎任何位置的設備進行操控，特別是在隱密的地方;新的交互式功能，增強的用戶接口和先進的顯示功能。

　　本文小結

　　笙科電子的A7153在定位上就是鎖定RF4CE相對單純的點對點架構。該芯片內建簡單好用的硬件功能和低功耗的芯片架構，提供軟件工程師設計出長電池壽命的RF4CE遙控器。RF4CE標準的背后有國際一線消費性電子大廠的力挺，因此RF4CE被預估為Zigbee的殺手級應用，成為IEEE 802.15.4最重要的市場。工程師只需選擇通用型的8051(或其它8位單芯片)，搭配笙科電子的A7153開發(fā)平臺，即可設計出成本最佳化的RF4CE遙控器。RF4CE除了逐步取代既有紅外線遙控器市場外，勢必還有“異”想不到的應用躲在暗處，等著有創(chuàng)意的讀者來尋寶。