摘要:本文對短距離RF的主流幾種通信方式作了介紹，比較了各自的優缺點，以及采用低價RF專有方案的優點。同時基于無線發射芯片A7105(SH38L05)的RF短距離通信方案做了較為詳細的介紹。

　　一:主流的三種RF方案及其優缺點比較

　　1)：藍牙方案(IEEE802.15)

　　藍牙協議允許數據在1個主設備和最多7個從設備，最高傳輸速率為723kbit/s。不過，實際實際的速率會比這個數值小。

　　高斯頻移鍵控(GFSK)調制模式，在2.4G頻段內使用83個1Mbps的頻道。在送到載波之前，GFSK在基帶信號上使用高斯過濾。可以平滑高電平("1")低電平("0")。與頻移鍵控(FSK)的直接方法相比，可以給傳輸信號提供一個較狹和"更干凈"的頻譜。

　　藍牙設備有三種基本功率電平：1級(100米線視距)、2級(10米)和3級(2-3米)。目前常用的設備為2級。

　　在藍牙網絡中的每一個設備都有一個獨一無二的48比特識別號碼。第一個識別設備(通常在2秒鐘內)成為主設備，接著設定為在頻段中每秒使用1600次，所有網絡中的其他設備將與這個主設備鎖定并與其同步。主設備以偶時隙傳送，從設備以奇時隙響應。網絡中的從設備將被分配一個地址，并收聽屬于自己的時隙和地址信息。

　　從設備也可以進入低功耗的可能進入功率"探測"，"保持"和"停止"模式。在探測模式中，設備僅僅在指定的探測時隙中靜聽，但是保持同步。在保持模式中，設備進行收聽來確定自身是否需要激活。在停止模式中，設備放棄它的地址。雖然在保持和停止模式下可以延長電池壽命省電，但這也這意味著，設備失去同步，同時重新建鏈將需要等待時間，這將耗時幾秒鐘，如果用戶要求快速響應，這無疑是一個缺點。

　　藍牙標準包括一系列的應用領域可供選擇。不過，所有藍牙的應用，都必須得到認可，并符合藍牙標準，同時，所有用戶必須是藍牙特別的成員。

　　由于來自藍牙專業組的商業壓力，大部分應用領域都適用于移動電話上的媒體和文件的傳輸應用。因此，應用藍牙來開發一些較為簡單的應用是價值不高并且沒有實用價值的。

　　2)：ZigBee(IEEE802.15.4)

　　ZigBee是最近推出的RF標準，為大量多節點、低功耗、低速率的無線監控應用而開發。

　　本標準定義為IEEE802.15.4,也是可靠性很高的一種簡單數據協議。這包括通知每次傳輸的應答機制以及其他技術以保持信息的可靠性。ZigBee無須藍牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。

　　像藍牙那樣，ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段(5MHz 16頻道)內。本標準也提供在歐洲868MHz(單頻道)和US915MHz(2MHz 10頻道)頻段的版本。它保證250kbit/s的最高速率。

　　3)：專有方案(A7105方案，與nRF方案類似)

　　專有方案采用藍牙的信道模式。專有方案將2.400~2.483GHz之間頻帶分成166個500KHz帶寬的頻道，而藍牙分成83個頻道，ZigBee為16頻道相比(參見圖2)，與藍牙與ZigBee相比，這使A7105專有方案在遭遇從擁擠的頻段帶來的干擾的時候有更多可用頻率。

　　干擾處理

　　所有三種無線技術，即藍牙、ZigBee和專有方案，都有減少在相同頻段工作的RF設備干擾的機制。

　　藍牙具有頻率跳躍擴頻(FHSS)機制，能確保79個1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾。

　　ZigBee利用它的16個頻段對付窄帶干擾，因此當如果有其他802.11b/g設備的存在時，就更容易受到干擾，這就可能需要等待其他設備終止發送。

　　專有方案采納一種更靈活的混合做法。由于它的輸出功率適度，干擾不太可能發生。為了最低限度減少電流消耗和復雜性，專有方案不采用擴頻模式，碰到干擾，只是簡單地以單一頻率傳送，直至數據包到達為止。如果在發射的過程中需改變頻率，則只需簡單地通過SPI發送一個單字節命令即可。

　　有了166個500KHz頻道，就可以避開其他設備應用上的傳送頻率而重新分配頻率，即使在機場那樣的"熱點"，在幾分鐘乃至幾個小時內，頻率的重新分配頻率也并不頻繁。

　　至于無線鼠標，鄰頻抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠標(TX)到USB接收器(RX)的距離是從干擾源算起的一半，一般就不會產生干擾。這是因為根據RF理論，6dB的衰減等同于雙倍的距離。(參見圖1)。

　　專有方案與其它兩種方案的比較

　　首先，采用藍牙方案與ZigBee方案的缺點：第一，為了符合標準，您得達到標準，這將使您付出高昂的NRE費用，用來開始設計和測試兼容性。第二，由于它的特性，標準必須是"一個尺碼天下通用"的解決方法--在競爭日益激烈的全球化市場上，您的競爭者擁有與您一樣的技術，很難分辨您的產品的優勢。最后，標準提供的設計靈活性很小;例如在在您的RF產品上進行降低功耗的工作將會受到限制。

　　專有方案的優點：成本低,在要求一種產品需要電池壽命長和通信可靠以及實現低占空比方面，nRF專有方案比藍牙和ZigBee做得更好。

　　有關的名詞的解釋:

　　FSK：頻移鍵控，指用數字信號去調制載波的頻率。其主要優點是：實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。

　　GFSK：是高斯頻移鍵控的簡寫，在調制之前通過一個高斯低通濾波器來限制信號的頻譜寬度。

　　二:RF IC(A7105)的主要性能

　　工作頻率：2400~2483MHz ISM頻段(全球免許可申請頻段)。工作距離:10m內;

　　頻道距離: 500KHz,一共可存在的頻道數:~160個，即可以有效設定的頻率范圍是2400~2483MHz，每500KHz間隔可以設定一個頻道,在同一空間里的不同RF設備,可以通過跳頻來設定讓其不在一個頻道工作，以減少干擾。

　　低接收功耗：500Kbps@16mA; 低發送功耗：0dBm@19mA; 休眠電流：<1μA;輸出功率：0dBm; 靈敏度：-110dBm@2.5KBPS, -104dBm@25KBPS,-97dBm@250KBPS,-93dBm@500KBPS, 數據傳輸速率：最高500Kbps; 基本應用：鼠標，鍵盤，玩具等。

　　數據傳輸速率：最高500Kbps;

　　基本應用：鼠標，鍵盤，玩具等。

　　三:RF系統示意圖及與MCU的接口定義

　　對于RF IC—A7015，其控制是通過SPI(3或4線)串介面操作讀出或寫入資料(SCS,SCK,DIO或GIOx).如果想使用4線串列介面時,先確定要使用GIO1或GIO2 pin,做SPI data out.

　　MCU與A7105的接口引腳說明：

　　SCS：SPI使能;

　　SCK：SPI clock信號;

　　SDIO：SPI data信號;

　　GIO1：多工信號輸入/輸出1，SPI data1;

　　GIO2：多工信號輸入/輸出2：SPI data2;

　　MCU與RF IC是通過SPI進行通信的，SPI的格式如下所示

　　四：RF IC(A7105)的兩種數據傳送模式

　　RF IC的工作模式：共有兩種工作模式，一是direct mode，二是FIFO模式，不同的工作模式可由初始化時相應的寄存器設定。

　　Direct mode：提供使用者一個RF通道，在Tx端系統將資料傳送給RF DATA IO PIN，RF僅將資料做調制，然后發射出去。RX端采用數位解調方式，還原資料。

　　FIFO mode：時序如下：

　　1)：Tx數據的傳送時序：先用SPI將data寫入Tx FIFO(最大可以寫入64bytes)，寫入命令，使RF IC進入到Rx模式，開始傳送數據，直到傳送完成后，回到原先的狀態。

　　2)：Rx數據的傳送時序：寫入命令，使RF IC進入到Rx狀態，當接收到相同的ID CODE后PIN RX_SYN會置為1,此時,接收到的data開始寫入Rx FIFO,完成一資料包接收后,自動脫離Rx,回到原先的狀態.

　　五:A7105與MCU進行RF通信的實現方法

　　1.如何進行兩個RF IC的配對(link):

　　在兩個RF IC進行通信前,必須先進行配對(Link),兩個RF IC在發射與接收數據時,使用相同的ID與頻道,這樣才能夠進行正常通信.

　　在對碼時,通常情況下Master與Slave應用一個相同的頻率,例如Master用做Tx時設定的頻率為2.405GHz,Slave用做Rx時設頻率為2.4055MHz.即Tx應比Rx高一個帶寬(500KHz)。

　　Link的步驟如下:

　　主機(Key/mouse端)

　　在從機端，只有進入對碼模式時，則進入rx_mode，檢測是否有接收到ID碼，如果接收到后，將工作狀態轉換至Tx_mode，向主機發送默認的數據,表示對碼OK,同時將接收到的RF ID進行保存.

　　2.RF抗干擾的相關處理

　　1)：跳頻與擴頻的區別

　　跳頻的STEP為20MHz。

　　直擴頻：直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴方式(DS方式)。就是用高速率的擴頻序列在發射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。

　　直接序列擴頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進行調制，要傳送的數據信息需要經過信道編碼后，與偽噪聲序列進行模2和生成復合碼去調制載波。接受機在收到發射信號后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發送來到偽碼精確相位，并由次產生跟發送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位，作為本地解擴信號，以便能夠及時恢復出數據信息，完成整個直擴通信系統的信號接收。

　　跳頻：跳頻技術與直序擴頻技術完全不同，是另一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內，其頻率合成器按PN碼的隨機規律不斷改變頻率。在接收端，接收機頻率合成器受偽隨機碼控制，并保持與發射端變化規律相同。

　　跳頻是載波頻率在一定范圍內不斷跳變意義上擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當于瞬時的窄帶通信系統，基本等同于常規通信系統，由于不能抗多徑，同時發射效率低，同樣發射功率的跳頻系統在有效傳輸距離上小于直擴系統。跳頻的優點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用于語音信息的傳輸，當定頻干擾只占一部分時不會對語音通信造成很大的影響。

　　跳速的高低直接反映跳頻系統的性能，跳速越高抗干擾的性能越好，軍事上的跳頻系統可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信GSM系統也是跳頻系統，其規定的跳速為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統可以簡單的實現，因此低速無線局域網產品常常采用這種技術。

　　2)：RF IC在通信中實現抗干擾的兩種種方法

　　通常情況下,嚴格意義上的跳頻只用在軍用與高端的GSM等無線通信系統中，對于成本低的RF通信系統，因為其本身的傳輸距離近(10M內),相互之間的干擾就小,所以可以采取讓Tx多次發射直到Rx收到并返回接收標志位為止。另外一種采用的是有限跳頻的工作方式，即在傳送完成數據后，判斷Rx是否接收到，如果沒有接收到，則改變傳送的頻率(例如增加20MHz)，再向Rx發一個同步信號，然后繼續傳送。這種方式實現簡單，但是抗干擾性比嚴格意義上的跳頻方式差.

　　3.MCU通過RF IC進行通信的方式

　　將兩個RF芯片對碼后，就可以用來傳送數據了。Rx先將收到的信號解調出來，再與自身存的RF ID碼進行確認，判斷一致后，才開始存儲接收到的數據，并根據相應的FEC或CRC位對數據進行校驗。接收完成后,MCU讀取Rx的FIFO,即可得到傳送的數據.

　　兩種傳送數據的模式是：Direct mode與FIFO mode。

　　六:RF IC(A7105)的工作狀態及相互轉換

　　A7105 RF CHIP有6個主要的state,sleep state,STB state,WPLL state,TX state ,CAL state.

　　1. SLEEP state:當進入sleep state時，chip內部參考電壓源(band gap)及crystal振蕩電路會關閉。

　　2. STB state：STB state包含IDLE mode，Standby mode和PLL mode。RF IC依據strobe command來進到任一個mode。

　　1) IDLE mode時，IC內部參考電壓源開啟，而crystal及PLL關閉

　　2) Standby mode：當Power on或reset時，RF IC會進入standby mode，此時regulator，參考電源與crystal開啟

　　3) PLL mode：IC內部參考電壓源，振蕩與PLL都開啟。

　　3. WPLL(waiting PLL)state：當任何state進入TX/TX state時,會依據目前的state或是控制暫存器PLL I,PLLII,PLL III,PLL IV設定值是否變動,而進入此state或是直接bypass該state,進入Tx/Rx state.

　　4. TX/RX state:RF IC會依照門控命令(strobe command)來決定進入TX或是RX state.

　　當使用RFO mode工作在TX STATE時,RF chip會自動將TX封包(Preamble+ID+TX FIFO payload)傳送出去,若傳送結束,RF chip會回到原先的state.

　　當使用FIFO mode工作在RX state時,RF chip會進入RX state等待Tx資料,若Tx端確實有發射資料,則當ID code判斷正確后且收到設定的資料長度后,RF chip會自動回到原先的state.

　　5. CAL state:在CAL state中,有三個獨立的校準項目,在STB state下,當相應的寄存器被使能時,會進入到IF filter校準,VCO band,VCO 電流校準程序.完成校準程序后,相應的標志位清零,且回到STB state.

　　七:RF IC(A7105)應用需注意的事項

　　1. A7105的工作電流與工作電壓，以及如何進入省電模式

　　當IC工作在Rx狀態時，最大耗電流：16mA;工作在Tx狀態時，最大耗電流：19mA;

　　RF輸出最大功率：0dbm;

　　在傳送/接收完數據后，如果系統想達到省電之目地，可以進入SLEEP 模式，耗電流<1uA.

　　RF IC在完成工作后,可以直接由MCU發送Strobe命令使其進入SLEEP狀態,但是應注意,在進入SLEEP狀態之前,先進行TWOR或WOR的設定.

　　2. 省電模式的工作過程(TWOR與WOR簡介)

　　TWOR(Wake up On Radio using Timer): RF IC內建一個Timer與一個低速的RC OSC,當系統想要省電時,就可以讓系統進入SLEEP狀態,之后每間隔一定時間,發一個信號喚醒MCU重新回復工作狀態,處理RF事件,這就是TWOR功能.

　　WOR(Wake up On Radio): 也是利用RF IC內建Timer或低速RC OSC,當時間到后,只喚醒RF IC進入工作狀態,除非有收到信號才喚醒MCU起來接收數據.

　　3. Data傳送速率:

　　最小的傳送速率為:10KBps,最大為500KBps,但是在傳送數據時,越接近傳送速率的上限,則Rx端的接收靈敏度就越低.即在滿足最小傳送速率的情況下,適當的降低傳送速率,可以提高Rx接收靈敏度,擴大接收的距離.

　　4. RF IC(A7105)的工作頻率與工作頻道數

　　A7105的工作頻率為2400~2483MHz,即在初始化Tx/Rx時,必須將工作頻率設定在此范圍之內.

　　每個頻道占用的帶寬為500KHz,即在2400~2483頻率范圍內,有約160個頻道.

　　5. 在設定Tx與Rx工作頻率以及在工作過程中相互轉換時，應始終保證Rx與Tx相比，頻率相差一個中頻(對于A7105，是500KHz)，這點與其它的RF系統是一樣的。

　　6. A7105的應用范圍

　　作為一個低成本的RF發射/接收的方案,A7105應用一相對傳輸數據量不大,要求成本低,待機電流小的場合.例無線遙控,無線鼠標,無線鍵盤以及無線搖桿等。