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利用混合信号设计概念提升短距离无线传输系统的性能 |
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作者：Lawrence Der |
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我们已经谈论无线传输好几年了，但是假如你仔细观察，就会发现其实我们已经生活在一个无线传输的世界了。在九十年代初期，移动电话主要是由商业人士使用，但现在从年轻学子到老年人，几乎人手一部移动电话。移动电话的大量普及只是我们过渡到一个无线传输世界较为明显的几个例证之一。另外一个重要的明显例证就是伴随着在越来越多的书店、咖啡厅以及其它公共场所不断浮现出的无线网络热点所带来的无线网络应用的普及。更让我们惊讶的是，这样的技术已经逐渐扩散到一些原本我们认为比较不明显属于是无线传输的应用领域范畴，例如遥控车门开关(RKE)以及应用在电视机顶盒及音响设备上的遥控。
很多这种类型的无线传输应用所在频段位于260~470MHz之间，属于无须牌照的超高频(UHF)频段。这种类型的设备跟它们的应用之所以能够逐渐融入到我们的生活之中，一个主要的因素在于它们为我们的生活提供了更多便利。许多此类的短距离无线传输装置是使用传统的模拟射频技术，然后运行在属于无须牌照的UHF频段上，它们在应用最新的混合信号设计技术之后，将能显著改善一些特性。虽然每一种短距离传输系统都有其各自的优点及缺点，但是一般而言，它们在运用最新的技术与概念之后，普遍在延长传输距离、增加电池寿命以及减少便携式装置尺寸等几个方面都得到了改善。本文将对现短距离无线传输系统进行概略性介绍，并引进混合信号的设计理念来改善这些系统。
参考系统
短距离无线传输技术已经被广泛使用于许多日常生活的应用中，如遥控车门开关(RKE)、胎压监测系统(TPMS)、汽车防盗装置、遥控器、家庭安保及自动化、车库门遥控开关以及其它许多通过无线电来遥控的产品。虽然这些应用不同，但是对于短距离无线传输系统的基本模块图来说都是很相近的，如图1所示。
图1：短距离无线传输系统的典型方块图
发射器一般来说就是靠电池来工作的便携式装置，而且具备一些按钮或是键盘作为输入工具。举例来说，在遥控车门开关(RKE)系统中，整个发射器系统就是一个通过CR2032电池以及作为输入装置的按钮所构成的遥控钥匙，由此来开关车门及后车厢。这个按钮输入装置连接在一个会送出一连串数字信号给射频发射器的微控制器(MCU)上。这个射频发射器是一个典型的幅移键控(ASK)调节器，利用外置式功率晶体管来启动以及关闭声表面波谐振器。而在接收器端，这个系统包括了一个模拟射频接收器、微控制器以及一些通过电池或者是其它电源来驱动可作为控制输出的激发器。继续之前遥控车门开关(RKE)的例子，接收器是通过使用线性稳压的汽车电池来作为动力，并且有一个射频接收器将幅移键控(ASK)的信号解调成一连串数字信号，这些信号通过微控制器依次译码成为输出信号，进而达到上锁或解锁车门的目的。这类型的无线传输代表着许多目前已经存在的短距离无线传输应用，将会在本文中被作为参考。
改善无线传输距离
在无线传输系统中，最被期待的特性之一就是长距离传输。两个最实用的方法就是增加发射器的功率以及改善接收器的灵敏度。然而政府的法令规范限制了传输系统的发射功率，其目的在于使不同的系统能够在最少的干扰之下，同时共享相同的频段。美国联邦通信委员会(FCC)以及欧洲电信标准协会(ETSI)分别在其各自所处地区制订了辐射功率标准，并针对那些不管是有意或是无意的无线电装置信号传送给予限制。这些限制决定了最大的发射功率，所以实际上对于增加无线传输距离的可行方法仅剩下增加接收器灵敏度一种。
假如仔细研究我们的射频参考系统，我们可以发现建构于声表面波(SAW)谐振器之上的射频发射器的起始频率准确度很差，其频率误差范围约为±150千赫，同时我们也发现因为温度的关系也使其频率稳定性很差。这导致发射器载波频率补偿较大，进而迫使接收器具备较宽的频道滤波器。大的频宽使得多余的噪声进入系统中，进而降低了整体的灵敏度以及传输距离。
一个可能的解决方案是采用基于晶振的锁相回路(PLL)来取代基于声表面波(SAW)的发射器。这个解决方案可以显著地改善发射器的频率准确度，进而通过降低接收的频道滤波器的频宽来改善传送的距离。另外一个选择是用带有集成DSP或是有数字处理能力的解调器的混合信号射频接收器来取代标准的模拟射频接收器。这种混合信号接收器方法的好处是，通过使用最小化频宽的有数字处理能力的滤波器来追踪基于声表面波(SAW)的发射器频率补偿，并因此来降低噪声。因为CMOS技术的持续改善以及规模经济的缘故，混合信号射频接收器的成本比模拟射频接收器的成本更低。另一个改善接收器灵敏度的方是就是使用天线分集。这些技术从不同天线的射频信号中，使用其额外的振幅及/或相位信息来改进接收器的灵敏度。混合信号集成电路因为具有处理来自所有天线大量信息的能力，因而被广泛运用在这些接收器上。
降低功率消耗
在任何通讯系统中，如何增加电池的寿命或是降低功率消耗，一直是研究的重点。在我们的遥控车门开关(RKE)系统的案例中，降低发射器的功率消耗就是等于增加密钥的电池寿命。降低接收器的功率消耗，意味着消耗较少的汽车电池能量，这一点当汽车处于停车或是闲置不用时，显得尤为重要。多数的汽车制造商，对于在车内的遥控车门开关(RKE)接收系统，所需的平均电流约定义在小于2毫安。目前现有的解决方案是通过将接收器设定在一个较低的占空比轮询(Polling)或采样模式，来达到低平均电流的要求。
图2显示了通过让接收器在一个低占空比的模式之下来降低平均消耗电流的轮询基本概念。大多数时间，接收器是处于休眠模式，仅维持着足够记录休眠时期(区域1)所需的最小电流。它会周期性的进入一个采样模式(区域2)，在这里模拟射频接收器会开始工作，并通过观察输入的接收信号强度指示(RSSI)水平并且与预先设定的门限值做比较，来决定是否有已进来的传送信号。在这个例子中，发射器将同一信息包传送了两次(传送接收率为二)，同时调整接收器的采样和休眠时间的选择，确保使接收器至少可以在两次传送信息包期间至少可以采样到一次，从而避免漏失掉任何信息包。
图2：通过调整占空比轮询方式来降低平均电流消耗值
假如输入的接收信号强度指示(RSSI)超过了预设标准时，模拟射频接收器将会开始运行微控制单元，来进一步处理进来的信号(区域3)。但是这种方法有一个问题，就是每次当接收信号强度指示(RSSI)超过了预设标准时，他并不会检查这些进来的信号是不是从预期的发射器所来的，就直接唤醒了外置的微控制单元。而混合信号集成电路则有着信息包或是地址证明，所以在中断并唤醒微控制单元(区域4)之前，他会确认传送信号对于接收器而言，是否属于预期中的？如此一来，将可节省一部份功率。这对于那些需要长时间将车停在诸如机场等忙碌且拥挤的停车场等应用来说，能够切实节省功率。
在传输器部分，主要目标便是要极大化电池寿命，可以通过采用具有低操作电压和低漏电流的混合信号IC达成此目标。表1为计算某假设的RKE发射器的电池寿命的范例，此发射器具有15 mA传输电流、在数据速率2.4 kbps时的信息包大小为136位、发射重复率2，并且假设每天会按压按键20次，使用容量为210ma/hr的CR2032钮扣型电池，且总泄漏率为2uA/H (17.52 mAH/yr)。在此范例中，此电池寿命超过10年以上，二且受限于来自休眠模式的漏电流及发射器的漏电流，以及电池本身的漏电流。为减少漏电，发射电路仅在按键按压后才会启动，且在发射后必需自动断电。使用混合信号技术能轻易实现此按键按压唤醒的特性，使用大型的CMOS开关能实质连接及切断发射器电压至电池或接地的连结，从而降低漏电流。
表1：针对RKE发射器所做的一个电池寿命计算范例
另一个设计低功率发射器的关键因素为最大化功率放大器的功效。其中特别适用于混合信号技术的技巧之一，即是通过使用片上变容器(varactor)达到PCB回路天线的共振，从而最大化功效。在IC中，此变容器一般就是加权二进制数组的电容器，其由一系列的CMOS开关启动或关闭，以提供数字控制和/或可编程能力。模拟变容器无法进行编程，因此需要使用一些电路和电流以实现此变容器的偏压。
降低系统成本
相较于传统的模拟RF设计，混合信号整合设计的主要优点之一便是其高度集成的能力，从而节省对外部元件的需求。在许多情况中，如Silicon Laboratories产品所示，混合信号设计能较传统模拟RF解决方案大幅减少无线系统的线路板面积及外部材料成本，且同时达到最佳效能。现在的混合信号架构集成了所有包括高性能模数转换器(ADC)在内的前端模拟电路和数字后端处理器，从而减少对外部元件的需求。传统的模拟RF接收器需要芯片外滤波器以进行信道滤波，然而混合信号几乎完全是在数字电路中执行此滤波功能，包括尖锐的陡降、大型的衰减和可编程性都能以CMOS晶体管轻易实现。高集成程度不仅能节省BOM成本，外部元器件的减少更能提升无线系统的可制造性，且进一步提升生产良率，而这更是会对产品成本造成直接影响。
结论
对于短距离无线传输系统而言，使用混合信号整合电路的独特设计技术能达到实质的改善。这些集成型电路在同一基板上结合了模拟和数字电路，通过使用数字技术补偿模拟的缺点，可显著改善仅有模拟电路的方案的效能。
Silicon Laboratories所提供的许多混合信号电路也包含强大的DSP引擎和数字调制解调器，对接收到的RF信号能执行信号处理功能，从而大幅降低外部微控制器的工作负荷。产品范例为EZRadio和EZRadioPRO无线产品系列，该系列使用上述混合信号技术以扩展无线传输距离、增加电池寿命，并降低用于短距离无线通讯系统中的便携式装置的成本和体积。
作者：Lawrence Der博士
Silicon Laboratories公司(end)
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(11/9/2009) |
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