無(wú)線通訊市場(chǎng)的趨勢(shì)一直朝向低成本、低消耗功率、小體積等目標(biāo)。短距離裝置產(chǎn)品(Short-Range Devices )更在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network) 概念的推波助瀾下，帶動(dòng)了射頻芯片(RF IC)的需求量大增，射頻收發(fā)器 (TRX)要達(dá)到低功耗" title="低功耗">低功耗設(shè)計(jì)，低電壓工作是必要條件，然而，電路的效能與工作電壓有關(guān)，在兼顧到效能與低功耗之間，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，RF IC之制作技術(shù)日新月異。高速、低功率組件更是眾所矚目之焦點(diǎn)，目前0.13um RF CMOS工藝的晶體管，fT 值可達(dá)到60 GHz，這表示CMOS晶體管有足夠的能力來(lái)處理高頻信號(hào)，所以產(chǎn)業(yè)界的主流幾乎以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)，向讀者說(shuō)明芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要考慮的地方。該芯片設(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Mixer，F(xiàn)ilter，Limiter，RSSI，最后到達(dá)數(shù)字解調(diào)器，最后把接收數(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)變器(two-point delta-sigma modulation) 調(diào)變，把調(diào)變后的射頻信號(hào)透過(guò)PA放大，最后經(jīng)由天線輻射出去，本文亦會(huì)從系統(tǒng)觀點(diǎn)，提出天線與PCB硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)，加上軟件控制，協(xié)助讀者理解如何透過(guò)A7153實(shí)現(xiàn)低功耗的Zigbee 或 RF4CE射頻網(wǎng)絡(luò)。
Zigbee 調(diào)變方式與PA設(shè)計(jì)的考慮
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)變加半正弦脈波整型調(diào)變方式(Offset-QPSK with half-sine pulse shaping)，其等效于最小頻移" title="頻移">頻移鍵調(diào)變(MSK)。MSK相較于相移鍵調(diào)變(PSK)或正交分頻多任務(wù)(OFDM)，是一種恒包絡(luò)(constant envelope)的調(diào)變方式，因此可以選用線性度" title="線性度">線性度不高但效率較高的功率放大器，以降低TX功耗。
TX發(fā)射器設(shè)計(jì)考慮
數(shù)字調(diào)變系統(tǒng)中，IQ調(diào)變是一種常見(jiàn)的架構(gòu)。該架構(gòu)將調(diào)變的Data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訊號(hào)。再透過(guò)四相混頻器" title="混頻器">混頻器(quadrature mixer)升頻至RF訊號(hào)。由于IQ訊號(hào)使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，因此有較準(zhǔn)確的調(diào)變指數(shù)(modulation index)，缺點(diǎn)是需要較多的電路。
另一方面，由于2.4GHz Zigbee調(diào)變等效于MSK，而MSK可視為頻移鍵調(diào)變(FSK)的一種，因此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，因此得以降低電路復(fù)雜度及功耗。VCO調(diào)變?cè)O(shè)計(jì)有兩種，其一為開(kāi)回路(open loop)，其二為閉回路(close loop)。開(kāi)回路調(diào)變直接利用數(shù)據(jù)控制VCO頻率，而未使用鎖相回路(PLL)或?qū)LL斷開(kāi)。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(frequency drift)問(wèn)題。
相對(duì)而言，閉回路系統(tǒng)通常采用delta-sigma modulation，它的方法是改變PLL除頻器的除數(shù)，進(jìn)而改變鎖相頻率，其結(jié)果的VCO頻率是牢牢被鎖住的，因此可以解決頻漂的問(wèn)題。但是受到回路頻寬(loop band-width)的限制，通常適用于低數(shù)據(jù)率的系統(tǒng)。想要利用閉回路架構(gòu)達(dá)到高數(shù)據(jù)率，則可采用雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器(two-point delta-sigma modulation)，即在差異積分調(diào)變上加入VCO調(diào)變。數(shù)據(jù)經(jīng)由差異積分調(diào)變的路徑上有低通(low pass)的效果，即高頻數(shù)據(jù)會(huì)被濾掉。相對(duì)地，在VCO調(diào)變的路徑上有高通(high pass)的效果。兩者互補(bǔ)的結(jié)果，即可完整地調(diào)變數(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(Zero-IF)及低中頻(Low-IF)是易于實(shí)現(xiàn)整合型接收器的兩種架構(gòu)。零中頻接收器是將RF訊號(hào)降頻至基頻(base-band)，然后用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)成數(shù)字訊號(hào)，再用數(shù)字訊號(hào)處理器(DSP)將數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)。由于中頻頻率為零，因此通道選擇(channel selection)只需要用低Q值的低通濾波器，低Q值通道選擇濾波器的消耗電流也相對(duì)較小。但零中頻接收器也具有一些缺點(diǎn)，例如直流偏移(DC offset)及閃爍噪聲(flicker noise)。為了解決這些問(wèn)題，必須增加額外電路及功耗。
低中頻接收器則是將RF訊號(hào)降至適當(dāng)?shù)闹蓄l，以舒緩上述直流偏移及閃爍噪聲等問(wèn)題。但是低中頻接收器則有映像干擾(image interference)的問(wèn)題，因此低中頻接收器需要映像抑制(image rejection)濾波器，同時(shí)，通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。
FSK(或MSK)系統(tǒng)相較于ODFM或PSK，最大的優(yōu)勢(shì)就是簡(jiǎn)單的解調(diào)器，簡(jiǎn)單的解調(diào)器也代表了較低功耗設(shè)計(jì)。FSK調(diào)變可用非同調(diào)(non-coherent)解調(diào)。非同調(diào)解調(diào)器不需解調(diào)載波(carrier)、不用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，也不需ADC之前的線性放大器或自動(dòng)增益放大器(AGC)，可大幅降低電路復(fù)雜度及功耗。但非同調(diào)解調(diào)的靈敏度較同調(diào)解調(diào)略差3dB，所以解調(diào)器的選擇需依芯片接收靈敏度設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)取舍。
2.4GHz IEEE 802.15.4 無(wú)線收發(fā)器實(shí)例
從上述綜合考慮，以笙科電子的A7153為例。A7153提供了 250kbps 的展頻數(shù)據(jù)傳輸速率以及范圍為- 20 至 5dBm 的可編程 RF 輸出功率， 超高接收靈敏度 (-95dBm @ PER<1%)。硬件 MAC 提供 128 位 AES 加密和認(rèn)證，及SPI 接口。這些接口使得對(duì)連接各種MCU變得非常方便。
A7153整合了RF IC所需的模擬電路，如VCO (良好的VCO曲線線性度，提供雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器在高低溫工作條件下的穩(wěn)定性)、閉回路系統(tǒng)PLL、PA (及其匹配電路)、RF switch、LNA(及其匹配電路)、Gilbert-cell 混頻器(Mixer)、映像抑制濾波器，以及限制器(limiter)。A7153的Mixer與LNA設(shè)計(jì)成增益可調(diào)，用來(lái)提升整體接收器線性度表現(xiàn)，*斷混頻器設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)為IIP3，IIP3數(shù)值越大，代表著第三階交互調(diào)變訊號(hào)會(huì)干擾到欲接收訊號(hào)的程度越低，也就是線性度較好，不幸的是，在射頻電路設(shè)計(jì)中，增益與線性度經(jīng)常要互做取舍。天線接口部分，A7153內(nèi)建的PA及LNA的腳位型態(tài)(pin configuration)上，采用單端(single-ended)輸出入合并設(shè)計(jì)，因此可省去外部昂貴的平衡非平衡適配器(balun)。為達(dá)更長(zhǎng)的傳輸距離，笙科電子也提供CMOS工藝的整合型高功率PA(A7700，含LNA)。A7153整體電路均采用低電壓設(shè)計(jì)，低電流驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，達(dá)成低消耗功率的目標(biāo)。
另外，A7153整合了晶體振蕩器(crystal oscillator)的負(fù)載電容及PLL濾波組件，大幅減少了外部被動(dòng)組件。基頻部分整合了許多功能，包含TX-FIFO與RX-FIFO，自動(dòng)序碼(preamble)添加、同步碼及CRC檢查碼，展頻碼。此外，A7153內(nèi)建的AES-128 硬件加速器，提供軟件工程師很容易實(shí)現(xiàn)符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全標(biāo)準(zhǔn)之CCM*模塊。支持載波感測(cè)多重存取 / 碰撞避免機(jī)制（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance)溝通方式，含自動(dòng)應(yīng)答(Auto ACK)功能，信道能量偵測(cè)(ED)及連結(jié)質(zhì)量指示(LQI) ，大幅降低MCU的負(fù)擔(dān)及功耗。
Zigbee硬件應(yīng)用層次
設(shè)計(jì)Zigbee射頻模塊，需要用到許多微波電路知識(shí)，比如說(shuō)將PCB Trace等效為天線、傳輸線、阻抗匹配、訊號(hào)反射、絕緣層材料選擇、駐波處理，地面(Ground Plane)完整性等，這些因子均會(huì)影響RF模塊性能表現(xiàn)及EMC問(wèn)題。
RF PCB設(shè)計(jì)最基本的是把電源處理、地面完整性，RF走線、敏感電路和數(shù)字信號(hào)一一分區(qū)處理。因此，零組件布局是RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一般來(lái)說(shuō)，最先處理的是RF路徑及Xtal路徑上的零組件布局，比如說(shuō)兩個(gè)電感布局不要平行靠在一起，因?yàn)檫@將形成互感，造成信號(hào)干擾，因此最好將兩個(gè)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，電源去耦組件要盡可能靠近IC引腳并接地，同時(shí)考慮PA啟動(dòng)瞬間，瞬時(shí)大電流需求的電源問(wèn)題，另外，電源走線要越短越好，并遠(yuǎn)離RF信號(hào)線或Xtal等干擾源，(電源問(wèn)題常常造成異常的RF效能與EMC問(wèn)題)。
一般使用雙層的FR4 PCB時(shí)，會(huì)將主接地面安排于PCB下層，RF訊號(hào)走在表層上。在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離仿真電路是不變的原則，它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。當(dāng)一些高速信號(hào)線要穿過(guò)了破碎的地面，這絕對(duì)不是一件好事，必須盡可能避免，所以要保持PCB下層地面的完整性。針對(duì)PCB上層的走線，亦應(yīng)避免形成過(guò)多的游離地，因?yàn)樗鼈儠?huì)像一個(gè)小天線，提供干擾源侵入的路徑。在大多數(shù)情況下，可以把這些游離地去掉。
笙科電子A7153的參考模塊，其PCB天線采用F型天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持全向輻射場(chǎng)形。要把天線的性能發(fā)揮到極致，從應(yīng)用的角度來(lái)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(chǎn)品外殼的整個(gè)設(shè)計(jì)也會(huì)影響天線的性能。粗劣的設(shè)計(jì)會(huì)影響天線場(chǎng)形，使發(fā)送信號(hào)出現(xiàn)反射、折射、散射，結(jié)果造成傳輸距離的大幅縮短。以下的一些設(shè)計(jì)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(shè)置接地面或布銅線，天線要盡可能遠(yuǎn)離金屬物體，PA路徑下方，盡可能保有一塊完整的地面。
圖二 Zigbee 收發(fā)器芯片方塊圖
Zigbee軟件應(yīng)用層次
Zigbee 設(shè)備最常采用的省電方法是使傳感器進(jìn)入周期性的睡眠狀態(tài)，以便獲得長(zhǎng)久的電池壽命。也就是說(shuō)，A7153為了進(jìn)一步降低平均功耗，內(nèi)建了無(wú)線喚醒機(jī)制，MCU先啟動(dòng)A7153的無(wú)線喚醒機(jī)制，然后進(jìn)入睡眠模式。此時(shí)，除了低功耗無(wú)線喚醒定時(shí)器仍在運(yùn)作外，其余電路均自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。待定時(shí)器數(shù)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，A7153會(huì)自動(dòng)進(jìn)入接收狀態(tài)，去偵測(cè)有無(wú)射頻封包。若有，則收下封包并喚醒MCU，待微控器下達(dá)進(jìn)一步指令。若在某預(yù)定時(shí)間內(nèi)未偵測(cè)到封包，則A7153又會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，形成周而復(fù)始的工作周期(Duty Cycle)，直到收到封包。
由上述可知，工作周期(Duty Cycle)的長(zhǎng)短直接影響數(shù)據(jù)傳輸效率以及能源的消耗，長(zhǎng)工作周期可以增進(jìn)數(shù)據(jù)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(gè)射頻通道 ( RF4CE 則是從16個(gè)信道取出三個(gè)信道，分別為2425M / 2450M / 2475MHz)，MCU只需改變A7153一個(gè)緩存器，即可達(dá)到換頻。MCU亦可利用A7153接收端訊號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI），得知當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)上訊號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出貼近網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的真正表現(xiàn)。另外，透過(guò)CSMA/CA溝通方式，可獲得更理想的傳輸效能，同時(shí)大幅地降低了封包碰撞的能量消耗。
Zigbee也定義了一個(gè)帶有時(shí)間同步標(biāo)志的可選超幀（superframe）結(jié)構(gòu)，高優(yōu)先級(jí)通信的 GTS (Guaranteed-Time-Slot)機(jī)制，保障無(wú)延時(shí)或競(jìng)爭(zhēng)的通信，支持高達(dá) 65,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同型態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?(星形、叢集或網(wǎng)狀)。極低的工作周期（duty cycle）可以讓使用鈕扣電池的節(jié)點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行數(shù)年。
當(dāng)軟件工程師啟動(dòng)AES128加密功能時(shí)，A7153僅在發(fā)射或接收數(shù)據(jù)封包時(shí)才執(zhí)行。因此，平均功率仍然很低。
RF4CE 射頻遙控器--全球新標(biāo)準(zhǔn)
ZigBee 聯(lián)盟主席 Bob Heile 表示：＂RF4CE 為電子產(chǎn)品制造商提供了一種全球性標(biāo)準(zhǔn)，從而簡(jiǎn)化對(duì)各種消費(fèi)電子設(shè)備的操控，并改善用戶體驗(yàn)。今后，消費(fèi)者將享有更大的便利，更加靈活地使用消費(fèi)電子設(shè)備。＂笙科電子一直很關(guān)注RF4CE的市場(chǎng)需求，基于A7153高性價(jià)比(Cost / Performance)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，除了滿足RF4CE遙控器常見(jiàn)的五大優(yōu)點(diǎn)外，協(xié)入客戶使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趨勢(shì)，取得成本優(yōu)勢(shì)。
1.發(fā)射瞬間電流為IrDA的十分之一，因此遙控器可以有更長(zhǎng)的電池壽命
2.利用雙向通訊，能夠定位找不到的遙控裝置
3.通用指令集實(shí)現(xiàn)真正的互操作性，封包加密，無(wú)需使用多個(gè)遙控裝置
4.能夠?qū)[放在幾乎任何位置的設(shè)備進(jìn)行操控，特別是隱密的地方
5.新的交互式功能，增強(qiáng)的用戶接口和先進(jìn)的顯示功能
結(jié)論
笙科電子的A7153，定位上就是鎖定RF4CE相對(duì)單純的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)，該芯片內(nèi)建簡(jiǎn)單好用的硬件功能，低功耗的芯片架構(gòu)，提供軟件工程師設(shè)計(jì)出長(zhǎng)電池壽命的RF4CE遙控器。RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的背后有國(guó)際一線消費(fèi)性電子大廠力挺，因此，RF4CE被預(yù)估為Zigbee 殺手級(jí)的應(yīng)用，成為IEEE 802.15.4最重要的市場(chǎng)，使用者只需選擇通用型的8051 (或其它8位單芯片)，搭配笙科電子A7153的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，即可設(shè)計(jì)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(chǎng)外，勢(shì)必還有＂異＂想不到的應(yīng)用躲在暗處，等著有創(chuàng)意的讀者來(lái)尋寶。