低功率CMOS無線射頻芯片設計要點

　　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 標準，RF4CE則是基于Zigbee的遙控器應用規(guī)范) 為例，介紹超低功率CMOS無線射頻芯片的設計概要，從電路設計到系統(tǒng)觀點，向讀者說明芯片設計和應用需要考慮的地方。該芯片設計考慮必須涵蓋，通訊標準規(guī)格、電路的行為模式。在接收部分，介紹了2.4GHz 射頻信號從天線接收后，進入LNA放大信號，經(jīng)由Mixer，F(xiàn)ilter，Limiter，RSSI，最后到達數(shù)字解調器，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VCO與雙點差異積分調變器(two-point delta-sigma modulation) 調變，把調變后的射頻信號透過PA放大，最后經(jīng)由天線輻射出去，本文亦會從系統(tǒng)觀點，提出天線與PCB硬件設計重點，加上軟件控制，協(xié)助讀者理解如何透過A7153實現(xiàn)低功耗的Zigbee 或 RF4CE射頻網(wǎng)絡。

　　Zigbee 調變方式與PA設計的考慮

　　2.4GHz Zigbee 標準定義250kbps展頻(DSSS)數(shù)據(jù)傳輸速率，并采用偏移四相移鍵調變加半正弦脈波整型調變方式(Offset-QPSK with half-sine pulse shaping)，其等效于最小頻移鍵調變(MSK)。MSK相較于相移鍵調變(PSK)或正交分頻多任務(OFDM)，是一種恒包絡(constant envelope)的調變方式，因此可以選用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)射器設計考慮

　　數(shù)字調變系統(tǒng)中，IQ調變是一種常見的架構。該架構將調變的Data分成IQ成分，經(jīng)由半正弦脈波整型及數(shù)字模擬轉換器(DAC)轉成模擬IQ訊號。再透過四相混頻器(quadrature mixer)升頻至RF訊號。由于IQ訊號使用數(shù)字電路實現(xiàn)，因此有較準確的調變指數(shù)(modulation index)，缺點是需要較多的電路。

　　另一方面，由于2.4GHz Zigbee調變等效于MSK，而MSK可視為頻移鍵調變(FSK)的一種，因此可以利用壓控振蕩器(VCO)來實現(xiàn)頻移。由于不需要混頻器等電路，因此得以降低電路復雜度及功耗。VCO調變設計有兩種，其一為開回路(open loop)，其二為閉回路(close loop)。開回路調變直接利用數(shù)據(jù)控制VCO頻率，而未使用鎖相回路(PLL)或將PLL斷開。這樣雖可擁有較低功耗，但因頻率未被鎖住，會有惱人的頻漂(frequency drift)問題。

　　相對而言，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)，進而改變鎖相頻率，其結果的VCO頻率是牢牢被鎖住的，因此可以解決頻漂的問題。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達到高數(shù)據(jù)率，則可采用雙點差異積分調變器(two-point delta-sigma modulation)，即在差異積分調變上加入VCO調變。數(shù)據(jù)經(jīng)由差異積分調變的路徑上有低通(low pass)的效果，即高頻數(shù)據(jù)會被濾掉。相對地，在VCO調變的路徑上有高通(high pass)的效果。兩者互補的結果，即可完整地調變數(shù)據(jù)。

　　值得注意的是，VCO的電壓對頻率轉換曲線，會因半導體工藝而有變異，因此需要額外的校正電路來校正頻移量。若設計的VCO有較線性的電壓對頻率轉換曲線，則可大大降低校正電路的復雜度。

　　RX接收器設計考慮

　　零中頻(Zero-IF)及低中頻(Low-IF)是易于實現(xiàn)整合型接收器的兩種架構。零中頻接收器是將RF訊號降頻至基頻(base-band)，然后用模擬數(shù)字轉換器(ADC)轉成數(shù)字訊號，再用數(shù)字訊號處理器(DSP)將數(shù)據(jù)解調出來。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較小。但零中頻接收器也具有一些缺點，例如直流偏移(DC offset)及閃爍噪聲(flicker noise)。為了解決這些問題，必須增加額外電路及功耗。

　　低中頻接收器則是將RF訊號降至適當?shù)闹蓄l，以舒緩上述直流偏移及閃爍噪聲等問題。但是低中頻接收器則有映像干擾(image interference)的問題，因此低中頻接收器需要映像抑制(image rejection)濾波器，同時，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)勢就是簡單的解調器，簡單的解調器也代表了較低功耗設計。FSK調變可用非同調(non-coherent)解調。非同調解調器不需解調載波(carrier)、不用模擬數(shù)字轉換器(ADC)，也不需ADC之前的線性放大器或自動增益放大器(AGC)，可大幅降低電路復雜度及功耗。但非同調解調的靈敏度較同調解調略差3dB，所以解調器的選擇需依芯片接收靈敏度設計目標來取舍。

　　2.4GHz IEEE 802.15.4 無線收發(fā)器實例

　　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 @ PER1%)。硬件 MAC 提供 128 位 AES 加密和認證，及SPI 接口。這些接口使得對連接各種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，提供雙點差異積分調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設計成增益可調，用來提升整體接收器線性度表現(xiàn)，*斷混頻器設計好壞的指標為IIP3，IIP3數(shù)值越大，代表著第三階交互調變訊號會干擾到欲接收訊號的程度越低，也就是線性度較好，不幸的是，在射頻電路設計中，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)輸出入合并設計，因此可省去外部昂貴的平衡非平衡適配器(balun)。為達更長的傳輸距離，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計，低電流驅動架構，達成低消耗功率的目標。

　　另外，A7153整合了晶體振蕩器(crystal oscillator)的負載電容及PLL濾波組件，大幅減少了外部被動組件。基頻部分整合了許多功能，包含TX-FIFO與RX-FIFO，自動序碼(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現(xiàn)符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全標準之CCM*模塊。支持載波感測多重存取 / 碰撞避免機制（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance)溝通方式，含自動應答(Auto ACK)功能，信道能量偵測(ED)及連結質量指示(LQI) ，大幅降低MCU的負擔及功耗。

　　Zigbee硬件應用層次

　　設計Zigbee射頻模塊，需要用到許多微波電路知識，比如說將PCB Trace等效為天線、傳輸線、阻抗匹配、訊號反射、絕緣層材料選擇、駐波處理，地面(Ground Plane)完整性等，這些因子均會影響RF模塊性能表現(xiàn)及EMC問題。

　　RF PCB設計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)字信號一一分區(qū)處理。因此，零組件布局是RF設計的關鍵，一般來說，最先處理的是RF路徑及Xtal路徑上的零組件布局，比如說兩個電感布局不要平行靠在一起，因為這將形成互感，造成信號干擾，因此最好將兩個電感放成直角排列，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，同時考慮PA啟動瞬間，瞬時大電流需求的電源問題，另外，電源走線要越短越好，并遠離RF信號線或Xtal等干擾源，(電源問題常常造成異常的RF效能與EMC問題)。

　　一般使用雙層的FR4 PCB時，會將主接地面安排于PCB下層，RF訊號走在表層上。在所有PCB設計中，盡可能將數(shù)字電路遠離仿真電路是不變的原則，它同樣也適用于RF PCB設計。當一些高速信號線要穿過了破碎的地面，這絕對不是一件好事，必須盡可能避免，所以要保持PCB下層地面的完整性。針對PCB上層的走線，亦應避免形成過多的游離地，因為它們會像一個小天線，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型天線拓撲結構，支持全向輻射場形。要把天線的性能發(fā)揮到極致，從應用的角度來講，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)品外殼的整個設計也會影響天線的性能。粗劣的設計會影響天線場形，使發(fā)送信號出現(xiàn)反射、折射、散射，結果造成傳輸距離的大幅縮短。以下的一些設計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置接地面或布銅線，天線要盡可能遠離金屬物體，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軟件應用層次

　　Zigbee 設備最常采用的省電方法是使傳感器進入周期性的睡眠狀態(tài)，以便獲得長久的電池壽命。也就是說，A7153為了進一步降低平均功耗，內(nèi)建了無線喚醒機制，MCU先啟動A7153的無線喚醒機制，然后進入睡眠模式。此時，除了低功耗無線喚醒定時器仍在運作外，其余電路均自動進入睡眠模式。待定時器數(shù)到預定時間時，A7153會自動進入接收狀態(tài)，去偵測有無射頻封包。若有，則收下封包并喚醒MCU，待微控器下達進一步指令。若在某預定時間內(nèi)未偵測到封包，則A7153又會自動進入睡眠模式并重新開始計時，形成周而復始的工作周期(Duty Cycle)，直到收到封包。

　　由上述可知，工作周期(Duty Cycle)的長短直接影響數(shù)據(jù)傳輸效率以及能源的消耗，長工作周期可以增進數(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個射頻通道 ( RF4CE 則是從16個信道取出三個信道，分別為2425M / 2450M / 2475MHz)，MCU只需改變A7153一個緩存器，即可達到換頻。MCU亦可利用A7153接收端訊號強度指示（RSSI），得知當下網(wǎng)絡上訊號強度，計算出貼近網(wǎng)絡質量狀況的真正表現(xiàn)。另外，透過CSMA/CA溝通方式，可獲得更理想的傳輸效能，同時大幅地降低了封包碰撞的能量消耗。

　　Zigbee也定義了一個帶有時間同步標志的可選超幀（superframe）結構，高優(yōu)先級通信的 GTS (Guaranteed-Time-Slot)機制，保障無延時或競爭的通信，支持高達 65,000 個節(jié)點，不同型態(tài)的網(wǎng)絡拓撲 (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)點持續(xù)運行數(shù)年。

　　當軟件工程師啟動AES128加密功能時，A7153僅在發(fā)射或接收數(shù)據(jù)封包時才執(zhí)行。因此，平均功率仍然很低。

　　RF4CE 射頻遙控器--全球新標準

　　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準，從而簡化對各種消費電子設備的操控，并改善用戶體驗。今后，消費者將享有更大的便利，更加靈活地使用消費電子設備。＂笙科電子一直很關注RF4CE的市場需求，基于A7153高性價比(Cost / Performance)的競爭優(yōu)勢，除了滿足RF4CE遙控器常見的五大優(yōu)點外，協(xié)入客戶使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趨勢，取得成本優(yōu)勢。

　　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.通用指令集實現(xiàn)真正的互操作性，封包加密，無需使用多個遙控裝置

　　4.能夠對擺放在幾乎任何位置的設備進行操控，特別是隱密的地方

　　5.新的交互式功能，增強的用戶接口和先進的顯示功能

　　結論

　　笙科電子的A7153，定位上就是鎖定RF4CE相對單純的點對點架構，該芯片內(nèi)建簡單好用的硬件功能，低功耗的芯片架構，提供軟件工程師設計出長電池壽命的RF4CE遙控器。RF4CE標準的背后有國際一線消費性電子大廠力挺，因此，RF4CE被預估為Zigbee 殺手級的應用，成為IEEE 802.15.4最重要的市場，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的開發(fā)平臺，即可設計出成本最佳化的RF4CE遙控器，RF4CE除了逐步取代既有紅外線遙控器市場外，勢必還有＂異＂想不到的應用躲在暗處，等著有創(chuàng)意的讀者來尋寶。