利用混合信號設計概念提升短距離無線傳輸系統的性能

我們已經談論無線傳輸好幾年了，但是假如你仔細觀察，就會發現其實我們已經生活在一個無線傳輸的世界了。在九十年代初期，移動電話主要是由商業人士使用，但現在從年輕學子到老年人，幾乎人手一部移動電話。移動電話的大量普及只是我們過渡到一個無線傳輸世界較為明顯的幾個例證之一。另外一個重要的明顯例證就是伴隨著在越來越多的書店、咖啡廳以及其它公共場所不斷浮現出的無線網絡熱點所帶來的無線網絡應用的普及。更讓我們驚訝的是，這樣的技術已經逐漸擴散到一些原本我們認為比較不明顯屬于是無線傳輸的應用領域范疇，例如遙控車門開關(RKE)以及應用在電視機頂盒及音響設備上的遙控。

很多這種類型的無線傳輸應用所在頻段位于260~470MHz之間，屬于無須牌照的超高頻(UHF)頻段。這種類型的設備跟它們的應用之所以能夠逐漸融入到我們的生活之中，一個主要的因素在于它們為我們的生活提供了更多便利。許多此類的短距離無線傳輸裝置是使用傳統的模擬射頻技術，然后運行在屬于無須牌照的UHF頻段上，它們在應用最新的混合信號設計技術之后，將能顯著改善一些特性。雖然每一種短距離傳輸系統都有其各自的優點及缺點，但是一般而言，它們在運用最新的技術與概念之后，普遍在延長傳輸距離、增加電池壽命以及減少便攜式裝置尺寸等幾個方面都得到了改善。本文將對現短距離無線傳輸系統進行概略性介紹，并引進混合信號的設計理念來改善這些系統。

參考系統

短距離無線傳輸技術已經被廣泛使用于許多日常生活的應用中，如遙控車門開關(RKE)、胎壓監測系統(TPMS)、汽車防盜裝置、遙控器、家庭安保及自動化、車庫門遙控開關以及其它許多通過無線電來遙控的產品。雖然這些應用不同，但是對于短距離無線傳輸系統的基本模塊圖來說都是很相近的，如圖1所示。

發射器一般來說就是靠電池來工作的便攜式裝置，而且具備一些按鈕或是鍵盤作為輸入工具。舉例來說，在遙控車門開關(RKE)系統中，整個發射器系統就是一個通過CR2032電池以及作為輸入裝置的按鈕所構成的遙控鑰匙，由此來開關車門及后車廂。這個按鈕輸入裝置連接在一個會送出一連串數字信號給射頻發射器的微控制器(MCU)上。這個射頻發射器是一個典型的幅移鍵控(ASK)調節器，利用外置式功率晶體管來啟動以及關閉聲表面波諧振器。而在接收器端，這個系統包括了一個模擬射頻接收器、微控制器以及一些通過電池或者是其它電源來驅動可作為控制輸出的激發器。繼續之前遙控車門開關(RKE)的例子，接收器是通過使用線性穩壓的汽車電池來作為動力，并且有一個射頻接收器將幅移鍵控(ASK)的信號解調成一連串數字信號，這些信號通過微控制器依次譯碼成為輸出信號，進而達到上鎖或解鎖車門的目的。這類型的無線傳輸代表著許多目前已經存在的短距離無線傳輸應用，將會在本文中被作為參考。

圖1：短距離無線傳輸系統的典型方塊圖

改善無線傳輸距離

在無線傳輸系統中，最被期待的特性之一就是長距離傳輸。兩個最實用的方法就是增加發射器的功率以及改善接收器的靈敏度。然而政府的法令規范限制了傳輸系統的發射功率，其目的在于使不同的系統能夠在最少的干擾之下，同時共享相同的頻段。美國聯邦通信委員會(FCC)以及歐洲電信標準協會(ETSI)分別在其各自所處地區制訂了輻射功率標準，并針對那些不管是有意或是無意的無線電裝置信號傳送給予限制。這些限制決定了最大的發射功率，所以實際上對于增加無線傳輸距離的可行方法僅剩下增加接收器靈敏度一種。

假如仔細研究我們的射頻參考系統，我們可以發現建構于聲表面波(SAW)諧振器之上的射頻發射器的起始頻率準確度很差，其頻率誤差范圍約為±150千赫，同時我們也發現因為溫度的關系也使其頻率穩定性很差。這導致發射器載波頻率補償較大，進而迫使接收器具備較寬的頻道濾波器。大的頻寬使得多余的噪聲進入系統中，進而降低了整體的靈敏度以及傳輸距離。

一個可能的解決方案是采用基于晶振的鎖相回路(PLL)來取代基于聲表面波(SAW)的發射器。這個解決方案可以顯著地改善發射器的頻率準確度，進而通過降低接收的頻道濾波器的頻寬來改善傳送的距離。另外一個選擇是用帶有集成DSP或是有數字處理能力的解調器的混合信號射頻接收器來取代標準的模擬射頻接收器。這種混合信號接收器方法的好處是，通過使用最小化頻寬的有數字處理能力的濾波器來追蹤基于聲表面波(SAW)的發射器頻率補償，并因此來降低噪聲。因為CMOS技術的持續改善以及規模經濟的緣故，混合信號射頻接收器的成本比模擬射頻接收器的成本更低。另一個改善接收器靈敏度的方是就是使用天線分集。這些技術從不同天線的射頻信號中，使用其額外的振幅及/或相位信息來改進接收器的靈敏度。混合信號集成電路因為具有處理來自所有天線大量信息的能力，因而被廣泛運用在這些接收器上。

降低功率消耗

在任何通訊系統中，如何增加電池的壽命或是降低功率消耗，一直是研究的重點。在我們的遙控車門開關(RKE)系統的案例中，降低發射器的功率消耗就是等于增加密鑰的電池壽命。降低接收器的功率消耗，意味著消耗較少的汽車電池能量，這一點當汽車處于停車或是閑置不用時，顯得尤為重要。多數的汽車制造商，對于在車內的遙控車門開關(RKE)接收系統，所需的平均電流約定義在小于2毫安。目前現有的解決方案是通過將接收器設定在一個較低的占空比輪詢(Polling)或采樣模式，來達到低平均電流的要求。

圖2：通過調整占空比輪詢方式來降低平均電流消耗值。

圖2顯示了通過讓接收器在一個低占空比的模式之下來降低平均消耗電流的輪詢基本概念。大多數時間，接收器是處于休眠模式，僅維持著足夠記錄休眠時期(區域1)所需的最小電流。它會周期性的進入一個采樣模式(區域2)，在這里模擬射頻接收器會開始工作，并通過觀察輸入的接收信號強度指示(RSSI)水平并且與預先設定的門限值做比較，來決定是否有已進來的傳送信號。在這個例子中，發射器將同一信息包傳送了兩次(傳送接收率為二)，同時調整接收器的采樣和休眠時間的選擇，確保使接收器至少可以在兩次傳送信息包期間至少可以采樣到一次，從而避免漏失掉任何信息包。

假如輸入的接收信號強度指示(RSSI)超過了預設標準時，模擬射頻接收器將會開始運行微控制單元，來進一步處理進來的信號(區域3)。但是這種方法有一個問題，就是每次當接收信號強度指示(RSSI)超過了預設標準時，他并不會檢查這些進來的信號是不是從預期的發射器所來的，就直接喚醒了外置的微控制單元。而混合信號集成電路則有著信息包或是地址證明，所以在中斷并喚醒微控制單元(區域4)之前，他會確認傳送信號對于接收器而言，是否屬于預期中的？如此一來，將可節省一部份功率。這對于那些需要長時間將車停在諸如機場等忙碌且擁擠的停車場等應用來說，能夠切實節省功率。

表1：針對RKE發射器所做的一個電池壽命計算范例。

在傳輸器部分，主要目標便是要極大化電池壽命，可以通過采用具有低操作電壓和低漏電流的混合信號IC達成此目標。表1為計算某假設的RKE發射器的電池壽命的范例，此發射器具有15 mA傳輸電流、在數據速率2.4 kbps時的信息包大小為136位、發射重復率2，并且假設每天會按壓按鍵20次，使用容量為210ma/hr的CR2032鈕扣型電池，且總泄漏率為2uA/H (17.52 mAH/yr)。在此范例中，此電池壽命超過10年以上，二且受限于來自休眠模式的漏電流及發射器的漏電流，以及電池本身的漏電流。為減少漏電，發射電路僅在按鍵按壓后才會啟動，且在發射后必需自動斷電。使用混合信號技術能輕易實現此按鍵按壓喚醒的特性，使用大型的CMOS開關能實質連接及切斷發射器電壓至電池或接地的連結，從而降低漏電流。

另一個設計低功率發射器的關鍵因素為最大化功率放大器的功效。其中特別適用于混合信號技術的技巧之一，即是通過使用片上變容器(varactor)達到PCB回路天線的共振，從而最大化功效。在IC中，此變容器一般就是加權二進制數組的電容器，其由一系列的CMOS開關啟動或關閉，以提供數字控制和/或可編程能力。模擬變容器無法進行編程，因此需要使用一些電路和電流以實現此變容器的偏壓。

降低系統成本

相較于傳統的模擬RF設計，混合信號整合設計的主要優點之一便是其高度集成的能力，從而節省對外部元件的需求。在許多情況中，如Silicon Laboratories產品所示，混合信號設計能較傳統模擬RF解決方案大幅減少無線系統的線路板面積及外部材料成本，且同時達到最佳效能。現在的混合信號架構集成了所有包括高性能模數轉換器(ADC)在內的前端模擬電路和數字后端處理器，從而減少對外部元件的需求。傳統的模擬RF接收器需要芯片外濾波器以進行信道濾波，然而混合信號幾乎完全是在數字電路中執行此濾波功能，包括尖銳的陡降、大型的衰減和可編程性都能以CMOS晶體管輕易實現。高集成程度不僅能節省BOM成本，外部元器件的減少更能提升無線系統的可制造性，且進一步提升生產良率，而這更是會對產品成本造成直接影響。

結論

對于短距離無線傳輸系統而言，使用混合信號整合電路的獨特設計技術能達到實質的改善。這些集成型電路在同一基板上結合了模擬和數字電路，通過使用數字技術補償模擬的缺點，可顯著改善僅有模擬電路的方案的效能。

Silicon Laboratories所提供的許多混合信號電路也包含強大的DSP引擎和數字調制解調器，對接收到的RF信號能執行信號處理功能，從而大幅降低外部微控制器的工作負荷。產品范例為EZRadio和EZRadioPRO無線產品系列，該系列使用上述混合信號技術以擴展無線傳輸距離、增加電池壽命，并降低用于短距離無線通訊系統中的便攜式裝置的成本和體積。