RF4CE射頻遙控器的軟硬件設(shè)計(jì)介紹

無(wú)線通信產(chǎn)品一直朝著低成本、低消耗功率、小體積等趨勢(shì)向前發(fā)展。短距離設(shè)備(Short-Range Devices )更在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(圖1)概念的推動(dòng)下，帶動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)射頻芯片(RF IC)需求量的大增。射頻收發(fā)器(TRX)要實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，低電壓工作是必要條件。然而，電路效能與工作電壓有關(guān)，如何兼顧效能與低功耗是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，RF IC制作技術(shù)日新月異。高速、低功率元件更是眾所矚目之焦點(diǎn)。目前0.13um RF CMOS工藝的晶體管，其fT值可達(dá)到60GHz，這表明CMOS晶體管有足夠的能力來(lái)處理高頻信號(hào)。因此，業(yè)內(nèi)的主流公司幾乎都采用RF CMOS 技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)，RF4CE則是基于Zigbee的遙控器應(yīng)用規(guī)范)為例，介紹超低功率CMOS無(wú)線射頻芯片的設(shè)計(jì)概要，從電路設(shè)計(jì)到系統(tǒng)觀點(diǎn)，說(shuō)明芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中需要考慮的地方。該芯片的設(shè)計(jì)考慮必須涵蓋通訊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、電路的行為模式。在接收部分，介紹了2.4GHz射頻信號(hào)從天線接收后，進(jìn)入LNA放大信號(hào)，經(jīng)由混頻器、濾波器、限幅器、接收端信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)，最后到達(dá)數(shù)字解調(diào)器，然后把接收數(shù)據(jù)存入RX-FIFO。另一方面，TX-FIFO內(nèi)的數(shù)字信息經(jīng)過(guò)VCO與雙點(diǎn)差異積分調(diào)制器調(diào)制，把調(diào)制后的射頻信號(hào)通過(guò)功率放大器(PA)放大，最后經(jīng)由天線輻射出去。本文也會(huì)從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，討論天線與PCB硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)以及軟件控制，以幫助讀者理解如何通過(guò)A7153實(shí)現(xiàn)低功耗的Zigbee或RF4CE射頻網(wǎng)絡(luò)。

　　Zigbee調(diào)制方式與PA設(shè)計(jì)考慮

　　2.4GHz Zigbee標(biāo)準(zhǔn)定義250kbps展頻(DSSS)數(shù)據(jù)傳輸速率，并采用偏移四相移鍵調(diào)制加半正弦脈波整型調(diào)制方式，其等效于最小頻移鍵調(diào)制(MSK)。相對(duì)于相移鍵調(diào)制(PSK)或正交分頻多任務(wù)(OFDM)，MSK是一種恒包絡(luò)的調(diào)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(shè)計(jì)考慮

　　數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，IQ調(diào)制是一種常見的架構(gòu)。該架構(gòu)將被調(diào)制的信號(hào)分成IQ成分，經(jīng)由半正弦脈波整型及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)成模擬IQ信號(hào)，再通過(guò)四相混頻器升頻至RF信號(hào)。由于IQ信號(hào)使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，所以有較準(zhǔn)確的調(diào)制指數(shù)，其缺點(diǎn)是需要較多的電路。

　　另一方面，由于2.4GHz Zigbee調(diào)制等效于MSK，而MSK可視為頻移鍵調(diào)制(FSK)的一種，所以可以利用壓控振蕩器(VCO)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻移。由于不需要混頻器等電路，所以得以降低電路復(fù)雜度及功耗。VCO調(diào)制設(shè)計(jì)有兩種，一種為開回路，另一種為閉回路。開回路調(diào)制直接利用數(shù)據(jù)控制VCO頻率，而未使用鎖相環(huán)(PLL)或?qū)LL斷開。這樣雖可擁有較低功耗，但因頻率未被鎖住，會(huì)有惱人的頻漂問(wèn)題。

　　相對(duì)而言，閉回路系統(tǒng)通常采用delta-sigma調(diào)制，其方法是改變PLL除頻器的除數(shù)，進(jìn)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(wèn)題，但由于受到回路頻寬的限制，它通常適用于低數(shù)據(jù)率的系統(tǒng)。若要利用閉回路架構(gòu)達(dá)到高數(shù)據(jù)率，可以采用雙點(diǎn)差異積分調(diào)制器，即在差異積分調(diào)制上加入VCO調(diào)制。數(shù)據(jù)經(jīng)由差異積分調(diào)制的路徑上有低通的效果，即高頻數(shù)據(jù)會(huì)被濾掉。相對(duì)地，在VCO調(diào)制的路徑上有高通的效果。兩者互補(bǔ)的結(jié)果，就可完整地調(diào)制數(shù)據(jù)。

　　值得注意的是，VCO的電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換曲線，會(huì)因半導(dǎo)體工藝而有變異，因此需要額外的校正電路來(lái)校正頻移量。若設(shè)計(jì)的VCO有較線性的電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換曲線，則可大大降低校正電路的復(fù)雜度。

　　RX接收器設(shè)計(jì)考慮

　　零中頻及低中頻是易于實(shí)現(xiàn)集成型接收器的兩種架構(gòu)。零中頻接收器是將RF信號(hào)降頻至基頻，然后用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，再用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)將數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)。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(duì)較小)。但零中頻接收器也有一些缺點(diǎn)，例如直流偏移及閃爍噪聲。為解決這些問(wèn)題，必須增加額外電路,并功耗。