1GHz以下的非授权ISM频带为消费电子和工业产品所广泛使用。这些产品涉及家庭安全、家庭自动化、工业控制、远程感应、自动抄表、电动玩具、气象站和无线天气钟等诸多应用,而它们都将更长距离、低系统成本和长电池寿命视为关键参数。相对于,这些频率下的传输特性更优异,因此具备更低电流损耗的sub-GHz频带具备更长的有效距离。另外,sub-GHz频率对于微波、Wi-Fi和蓝牙是无干扰的,也使它们比具有更高的稳健度。

为该市场设计收发器所面临的主要技术挑战是如何有效处理高性能与低成本和低功耗之间的不一致。EZRadioPRO系列产品则是出于这样的初衷而设计的,对于相应竞争产品而言,其在系统BOM成本、电流损耗以及有效距离/链路预算(link budget)方面具有优势。

其在信道选择滤波器、调制格式、带宽优化和数据包处理特性等方面也具备高度的可配置性和灵活性。这种高级别的可配置性使芯片能更好地适应广大的应用领域。图1是一个典型应用的方框图,其中包括了天线分集。

图1:包含天线分集的典型应用。

有效距离和链路预算

有效距离由可获得的链路预算和接收天线与发送天线之间的路径损耗所决定。而链路预算则由到接收器和发送器天线的总增益减去接收机灵敏度来决定。尽管sub-GHz具备诸多优势,但多径衰落和干扰仍会使距离受到限制。

多径衰落由接收到的多向发送信号引起,而这些多向信号则通常是因为受到金属物体反射,从而导致信号在接收天线出现对消或衰减。防止多径衰落的一个常用方法是使用天线分集,其在多径衰落环境下一般可提升8-10dB的链路预算。

EZRadioPRO无需外部PA(功率放大器)或LNA(低噪音放大器)则可以使任何ISM频带收发器获得最远发射距离,而通过诸如输出功率达+20dBm的PA、低噪声和高线性接收前端、灵敏的高性能数字GFSK/FSK/OOK调制解调和全集成的天线分集算法等来防止多径衰落的影响,也可使链路预算大为改善。

EZRadioPRO目前是无线传感器市场里唯一能提供完全集成的+20dBm PA或天线分集算法的解决方案。+20dBm的高效PA需要抑制Tx电流损耗以避免对电池寿命造成较大影响。E类PA设计通常还能同时具备低功耗和高输出功率。使用标准CMOS工艺能解决几个电路设计的问题,而结合优化的版图还可以获得高效的输出功率。

EZRadioPRO的输出功率和效率在同类产品中占优,而其对适用于跳频和数字调制的FCC规范第部分所指定的那些高功率ISM应用而言是一个突破。

功率损耗

市面上大量应用是采用电池驱动的,因此电流损耗成为选择设备的一个关键参数。具有最小电流损耗的深度睡眠模式能使电池寿命延长几年。在ISM收发器领域,EZRadioPRO产品的最低深度睡眠模式(10nA)比市面上的所有解决方案都少10倍以上的电流损耗。

大多数应用会使用大量的时间来搜查和轮询信号,因此接收器的电流损耗成为该收发器的另一个关键参数。在很多应用里,具备最小电流损耗的低频率时钟通常用于维护不同节点间的定时。而EZRadioPRO产品线具有一个32kHz的RC振荡器、一个32kHz晶振和传感器控制,所有这些的电流损耗都非常小,因而能够提供多种灵活的低功率模式。

低成本

EZRadioPRO是出于降低系统成本的初衷而开发的。很多应用的外部元件数量能够左右BOM成本。为了达到更长的有效距离,系统通常会选用超过1美元的外部PA,而EZRadioPRO完全集成的+20dBm PA则可显著减少系统成本。即使应用不需要+20dBm时,相对市面上的+10dBm集成PA而言,该芯片的额外输出功率也可以为小型的低成本低EIRP天线提供补偿,而能够以更低的成本获得相同的有效距离。

强大的数据包处理器使采用低成本MCU成为可能。另外,集成自动频率校准(AFC)功能允许使用廉价的具有不严格频率容差的晶振。为支持多样的潜在应用,其他完全集成进该RFIC的还包括温度传感器、低电池容量检测器、通用ADC和稳压器。由于该芯片具有高度线性前端与数字信道选择滤波器,所以免除了在接收路径上使用专用SAW滤波器的必要,而SAW滤波器在其他ISM接收器中是很常见的。

许多方案采用一个外部SAW滤波器来满足寄生参数性能方面的要求,但这显著提升了BOM成本。EZRadioPRO无需外部SAW滤波器,转而使用少量的通用无源元件(电感和电容)来执行所需的滤波和匹配。另外的几个集成功能也使系统成本大为减少,包括带可编程阈值的低电池容量检测器、通用8位ADC、带可编程定时功能的温度传感器、超低功耗唤醒定时器以及用于周期性自动接收扫描的低占空比模式等。三个GPIO引脚则可用于天线分集、可编程时钟输出、中断输入以及有效数据包输出等不同应用。

EZRadioPRO设计

为了能在低电流损耗情况下提供优越性能,必须谨慎选择架构和模块设计。该收发器的架构如图2所示。

图2:EZRadioPRO收发器的架构。

EZRadioPRO的接收器架构是为了获得高灵敏度和高抗扰性而专门优化的。对于窄带应用,无需使用外部LNA其灵敏度就可提高至-120dBm,而获取70dB的抗扰性能也无需使用外部射频预选滤波器。通过优化LNA、正交混波器、PGA(可编程增益放大器)和ADC的模拟设计可获得高度灵敏性,而信道灵敏度和调制解调器灵敏度则可以在数字域里面完成。

这样的分隔可使性能、功耗和系统成本达到最大优化。LNA、正交混波器和PGA都在低噪声特性、高动态范围和低功耗方面进行了优化。通过利用LNA和PGA的几个增益级,动态范围得到了扩展。这些增益级为AGC(自动增益控制)电路所控制,并且将RSSI(无线信号强度指示器)的范围扩展至120dB。

数字调制解调器的主要功能包括信道选择滤波、调制、解调、AGC、AFC(自动频率控制)、天线分集算法以及包处理等。信道选择滤波器、调制和解调模块是可编程的,以能覆盖多种应用。其中,信道选择滤波器可编程的带宽范围为,以支持窄带和宽带ISM应用,并能支持GFSK、FSK和OOK三种调制方式。

数据率也是可编程的,其范围是1kbps-128kbps。同样,可编程的GFSK/FSK偏差为625Hz-320kHz。集成的高斯滤波器可减少边带散发以满足众多的调整需求。数字RSSI具有分辨率,而带可编程阈值的载波侦听功能则可以支持CCA(空闲信道评估)和LBT(先听后发)应用。AFC电路补偿了由各石英晶体容差所引起的频率误差。这就允许使用更加廉价的具有较大频率容差的晶振。

由于拥有稳健的数据包采集算法,接收器只需少于8位的前同步码就能进行判决。OOK模式可结合高达620kHz的信道滤波器带宽来应付传输信号的大频率误差,以兼容低成本发送器。嵌入式天线分集功能是EZRadioPRO芯片的独特功能,这是低成本ISM收发器设计的一个突破。如果使用两个天线,天线分集算法将会自动选择信号接收能力较强的那个天线。

正如前文提及的那样,这可以提升8-10dB的链路预算。集成的数据包处理器带有多种可编程功能,减少了所需的应用开发时间并允许使用低成本MCU。前同步码长度、同步字、包头、数据包长度和CRC都可以通过SPI接口进行编程。64字节的分离式Tx和Rx FIFO简化了外部控制器和器件之间通信。

重发功能只需重复数据包传输而无需再次发送数据到Tx FIFO。包头的可编程长度达4字节,允许全面的数据包滤波和广播。数据包处理器同时能支持数据白化/去白化以及曼彻斯特编码/解码。

小数分频锁相环将发送器和接收器调整到所要求的信道上。EZRadioPRO能在240MHz-960MHz范围内提供完全的sub-GHz ISM频带的连续频率覆盖。能为全球各地新规划的频带与标准提供即时地解决方案而无需额外的R&D。通过使用单一的LC-VCO解决了覆盖如何宽阔的连续频率范围所带来的挑战,而该LC-VCO后面是一个可配置的分频电路。

在高频带上的频率分辨以及在低频带上的频率分辨使精确的GFSK/FSK调制和信道调谐得以实现。频率分辨的选择也允许诸如10kHz、、100kHz等普遍的信道间距的准确调谐得以实现。通过使用额外的编程功能支持简化的频率可编程,该概念解决了最初定义的信道梯度大小和基频,同时通过SPI接口简单地编程信道码到单一寄存器以访问目标信道频率。

小数分频锁相环的设定时间支持从接收到发送(和从发送到接收)的跳频和快速的周转时间。发送输出信号的高频谱纯净度在不违反频谱分配规范的前提下,使更高水平地利用输出功率成为可能。

作者:Rafi Fried

无线业务部总经理

      Hardy Schmidbauer

RF设计经理

      Henk de Ruijter

DSP架构经理

      Integration Associates公司