淺談Sub-GHz無線芯片

當(dāng)今世界，無線產(chǎn)品早已無處不在。在我們周圍分布著大量的無線產(chǎn)品和應(yīng)用系統(tǒng)，如氣象站、汽車無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)（RKE）、噴灌系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、智能家居、自動抄表等等。

WAP（Wireless ApplicatiON Protocol) 為無線應(yīng)用協(xié)議，是一項全球性的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。WAP使移動Internet 有了一個通行的標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是將Internet的豐富信息及先進(jìn)的業(yè)務(wù)引入到移動電話等無線終端之中。WAP定義可通用的平臺，把目前Internet網(wǎng)上HTML語言的信息轉(zhuǎn)換成用WML（Wireless Markup Language)描述的信息，顯示在移動電話的顯示屏上。WAP只要求移動電話和WAP代理服務(wù)器的支持，而不要求現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議做任何的改動，因而可以廣泛地應(yīng)用于GSM、CDMA、TDMA、3G等多種網(wǎng)絡(luò)。

無線產(chǎn)品之所以具有廣泛的應(yīng)用，很重要的一點就是現(xiàn)代無線器件降低了產(chǎn)品設(shè)計的門檻?，F(xiàn)代無線器件的集成度越來越高，多功能部件如調(diào)制解調(diào)、天線調(diào)諧、自動頻率控制等，都能集成在一個無線芯片內(nèi)，使無線功能可以很容易地加入到最終產(chǎn)品中。另外，雙向鏈路還可以提高抗噪聲能力。

EZRadioPRO系列無線芯片

Silicon Labs公司目前有三個系列的無線芯片，即EZRadioPRO、EZRadio和EZRadioLC。其中，EZRadioPRO系列芯片性能出眾，它具有高靈敏度 (–118dBm)，最大輸出輸出功率可以達(dá)到+20dBm，因此具有業(yè)界領(lǐng)先的鏈路預(yù)算 (138dBm)。芯片內(nèi)建天線多集算法、包處理器、喚醒定時器、電池電壓檢測等功能，使無線功能的設(shè)計和實現(xiàn)變得非常簡單。它適合于更遠(yuǎn)的通信距離（大于3km），具有很好的鏈路性能，提高了數(shù)據(jù)可靠性，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

圖1是EZRadioPRO系列中的收發(fā)器芯片Si4432的原理框圖。要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字調(diào)制器調(diào)制后，由內(nèi)建的功率放大器發(fā)射出去，Si4432實現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的功能，芯片內(nèi)部還集成了電池電壓檢測器、溫度傳感器以及一個可供用戶使用的8位ADC。

圖1 Si4432原理框圖

天線分集—改善鏈路性能

EZRadioPRO集成的天線分集算法可以改善無線鏈路的性能。通過使用兩個天線和天線分集算法，EZRadioPRO可以選擇最佳的天線接收數(shù)據(jù)，從而獲得更優(yōu)的性能。天線分集算法在分析前端碼時，比較兩個天線的接收強度，自動選擇最佳的天線。EZRadioPRO的天線分集有以下好處：1、抑制多徑衰落和天線極化效應(yīng)，以改善鏈路質(zhì)量；2、通過消除盲區(qū)來增加通信范圍和距離；3、因為天線分計算法是由無線芯片來實現(xiàn)的，所以無MCU開銷；4、節(jié)省功耗，因為相同的通信范圍可以使用較低的功率。對于一個典型系統(tǒng)，天線分計算法可增加+8dB~10dB的鏈路預(yù)算。圖2中示出了使用天線分集算法的典型系統(tǒng)。

圖2 使用天線分集算法的典型系統(tǒng)

使用天線分集算法可以降低功率需求。從圖3中可以看出，天線分集功能被使能時，與使用單天線的接收器相比，發(fā)射功率可以降低9.4dBm。圖中粉色曲線為單天線接收器誤報率與發(fā)射功率的關(guān)系，藍(lán)色曲線為多極天線誤報率與發(fā)射功率的關(guān)系。在這兩種情況下，誤報率都是隨著發(fā)射功率的增加而降低的。但是在相同的發(fā)射功率下，使用多極天線的接收器的誤報率要比單天線的接收器的誤報率要低得多。

圖3 使用多極天線接收器與使用單天線的接收器的對比

之所以要使用天線分集算法或多極天線，是因為環(huán)境因素能夠影響通信范圍和鏈路可靠性。主要包括三種情況：多徑衰落效應(yīng)、天線極化效應(yīng)、無線RF發(fā)射器或接收器移動。使用天線分集算法，就是提高天線位于一個強信號中的可能性。很顯然，使用多極天線或天線分集算法，保證有一個天線可以接收到較強的信號，從而確保了鏈路的可靠性。

　　圖4 多徑衰落效應(yīng)

天線分集算法是如何抑制天線極化和方向性效應(yīng)的呢？圖5中，左圖中黃綠部分表示使用一個天線時的通信覆蓋范圍，右圖中的黃綠色區(qū)域表示天線與左圖中的天線方向成90度放置時的通信覆蓋范圍?？梢钥吹剑褂靡粋€天線時，不管天線放置的方向如何，都有很大的未覆蓋范圍。而從圖6可以看出，使用兩個天線和天線分集算法時，通信覆蓋范圍大為增加，黃綠色和綠色區(qū)域都是通信覆蓋范圍，實際上是兩個成90度放置的天線的通信覆蓋范圍的疊加。通過這圖5和圖6的對照，我們可以看出，使用天線分集算法可以減弱方向極化和方向性效應(yīng)的影響，擴展通信范圍。

　　圖5 使用一個天線時的通信覆蓋

　　圖6 使用兩個天線和天線分集算法時的通信覆蓋范圍

應(yīng)用案例

無線氣象站

步驟1：位于屋頂?shù)膫鞲衅髦甘咎鞖狻穸?、風(fēng)向等。

步驟2：位于屋內(nèi)的顯示器或網(wǎng)關(guān)從屋頂傳感器接收數(shù)據(jù)并顯示信息，進(jìn)而決定是否使用遠(yuǎn)程的噴灌器澆灌草坪。

步驟3：花園噴灌器接收噴灌指令，完成噴灌任務(wù)。當(dāng)噴灌器打開或關(guān)閉時，可向網(wǎng)關(guān)反饋相關(guān)信息。

緊急救助按鈕

步驟1：緊急救助按鈕可以做成掛式或手表的形式。當(dāng)老人或病患需要救助時，可以按此按鈕呼救。

步驟2：緊急按鈕連接到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)通過調(diào)制解調(diào)器連接到呼叫中心， 呼叫中心收到信息后派急救車到呼救地點施救。