為該市場設計收發器所面臨的主要技術挑戰是如何有效處理高性能與低成本和低功耗之間的不一致。EZRadioPRO系列產品則是出于這樣的初衷而設計的,對于相應競爭產品而言,其在系統BOM成本、電流損耗以及有效距離/鏈路預算(link budget)方面具有優勢。

其在信道選擇濾波器、調制格式、帶寬優化和數據包處理特性等方面也具備高度的可配置性和靈活性。這種高級別的可配置性使芯片能更好地適應廣大的應用領域。圖1是一個典型應用的方框圖,其中包括了天線分集。

圖1:包含天線分集的典型應用。

有效距離和鏈路預算

有效距離由可獲得的鏈路預算和接收天線與發送天線之間的路徑損耗所決定。而鏈路預算則由到接收器和發送器天線的總增益減去接收機靈敏度來決定。盡管sub-GHz具備諸多優勢,但多徑衰落和干擾仍會使距離受到限制。

多徑衰落由接收到的多向發送信號引起,而這些多向信號則通常是因為受到金屬物體反射,從而導致信號在接收天線出現對消或衰減。防止多徑衰落的一個常用方法是使用天線分集,其在多徑衰落環境下一般可提升8-10dB的鏈路預算。

EZRadioPRO無需外部PA(功率放大器)或LNA(低噪音放大器)則可以使任何ISM頻帶收發器獲得最遠發射距離,而通過諸如輸出功率達+20dBm的PA、低噪聲和高線性接收前端、靈敏的高性能數字GFSK/FSK/OOK調制解調和全集成的天線分集算法等來防止多徑衰落的影響,也可使鏈路預算大為改善。

EZRadioPRO目前是無線傳感器市場里唯一能提供完全集成的+20dBm PA或天線分集算法的解決方案。+20dBm的高效PA需要抑制Tx電流損耗以避免對電池壽命造成較大影響。E類PA設計通常還能同時具備低功耗和高輸出功率。使用標準CMOS工藝能解決幾個電路設計的問題,而結合優化的版圖還可以獲得高效的輸出功率。

EZRadioPRO的輸出功率和效率在同類產品中占優,而其對適用于跳頻和數字調制的FCC規范第部分所指定的那些高功率ISM應用而言是一個突破。

功率損耗

市面上大量應用是采用電池驅動的,因此電流損耗成為選擇設備的一個關鍵參數。具有最小電流損耗的深度睡眠模式能使電池壽命延長幾年。在ISM收發器領域,EZRadioPRO產品的最低深度睡眠模式(10nA)比市面上的所有解決方案都少10倍以上的電流損耗。

大多數應用會使用大量的時間來搜查和輪詢信號,因此接收器的電流損耗成為該收發器的另一個關鍵參數。在很多應用里,具備最小電流損耗的低頻率時鐘通常用于維護不同節點間的定時。而EZRadioPRO產品線具有一個32kHz的RC振蕩器、一個32kHz晶振和傳感器控制,所有這些的電流損耗都非常小,因而能夠提供多種靈活的低功率模式。

低成本

EZRadioPRO是出于降低系統成本的初衷而開發的。很多應用的外部元件數量能夠左右BOM成本。為了達到更長的有效距離,系統通常會選用超過1美元的外部PA,而EZRadioPRO完全集成的+20dBm PA則可顯著減少系統成本。即使應用不需要+20dBm時,相對市面上的+10dBm集成PA而言,該芯片的額外輸出功率也可以為小型的低成本低EIRP天線提供補償,而能夠以更低的成本獲得相同的有效距離。

強大的數據包處理器使采用低成本MCU成為可能。另外,集成自動頻率校準(AFC)功能允許使用廉價的具有不嚴格頻率容差的晶振。為支持多樣的潛在應用,其他完全集成進該RFIC的還包括溫度傳感器、低電池容量檢測器、通用ADC和穩壓器。由于該芯片具有高度線性前端與數字信道選擇濾波器,所以免除了在接收路徑上使用專用SAW濾波器的必要,而SAW濾波器在其他ISM接收器中是很常見的。

許多方案采用一個外部SAW濾波器來滿足寄生參數性能方面的要求,但這顯著提升了BOM成本。EZRadioPRO無需外部SAW濾波器,轉而使用少量的通用無源元件(電感和電容)來執行所需的濾波和匹配。另外的幾個集成功能也使系統成本大為減少,包括帶可編程閾值的低電池容量檢測器、通用8位ADC、帶可編程定時功能的溫度傳感器、超低功耗喚醒定時器以及用于周期性自動接收掃描的低占空比模式等。三個GPIO引腳則可用于天線分集、可編程時鐘輸出、中斷輸入以及有效數據包輸出等不同應用。

EZRadioPRO設計

為了能在低電流損耗情況下提供優越性能,必須謹慎選擇架構和模塊設計。該收發器的架構如圖2所示。

圖2:EZRadioPRO收發器的架構。

EZRadioPRO的接收器架構是為了獲得高靈敏度和高抗擾性而專門優化的。對于窄帶應用,無需使用外部LNA其靈敏度就可提高至-120dBm,而獲取70dB的抗擾性能也無需使用外部射頻預選濾波器。通過優化LNA、正交混波器、PGA(可編程增益放大器)和ADC的模擬設計可獲得高度靈敏性,而信道靈敏度和調制解調器靈敏度則可以在數字域里面完成。

這樣的分隔可使性能、功耗和系統成本達到最大優化。LNA、正交混波器和PGA都在低噪聲特性、高動態范圍和低功耗方面進行了優化。通過利用LNA和PGA的幾個增益級,動態范圍得到了擴展。這些增益級為AGC(自動增益控制)電路所控制,并且將RSSI(無線信號強度指示器)的范圍擴展至120dB。

數字調制解調器的主要功能包括信道選擇濾波、調制、解調、AGC、AFC(自動頻率控制)、天線分集算法以及包處理等。信道選擇濾波器、調制和解調模塊是可編程的,以能覆蓋多種應用。其中,信道選擇濾波器可編程的帶寬范圍為,以支持窄帶和寬帶ISM應用,并能支持GFSK、FSK和OOK三種調制方式。

數據率也是可編程的,其范圍是1kbps-128kbps。同樣,可編程的GFSK/FSK偏差為625Hz-320kHz。集成的高斯濾波器可減少邊帶散發以滿足眾多的調整需求。數字RSSI具有分辨率,而帶可編程閾值的載波偵聽功能則可以支持CCA(空閑信道評估)和LBT(先聽后發)應用。AFC電路補償了由各石英晶體容差所引起的頻率誤差。這就允許使用更加廉價的具有較大頻率容差的晶振。

由于擁有穩健的數據包采集算法,接收器只需少于8位的前同步碼就能進行判決。OOK模式可結合高達620kHz的信道濾波器帶寬來應付傳輸信號的大頻率誤差,以兼容低成本發送器。嵌入式天線分集功能是EZRadioPRO芯片的獨特功能,這是低成本ISM收發器設計的一個突破。如果使用兩個天線,天線分集算法將會自動選擇信號接收能力較強的那個天線。

正如前文提及的那樣,這可以提升8-10dB的鏈路預算。集成的數據包處理器帶有多種可編程功能,減少了所需的應用開發時間并允許使用低成本MCU。前同步碼長度、同步字、包頭、數據包長度和CRC都可以通過SPI接口進行編程。64字節的分離式Tx和Rx FIFO簡化了外部控制器和器件之間通信。

重發功能只需重復數據包傳輸而無需再次發送數據到Tx FIFO。包頭的可編程長度達4字節,允許全面的數據包濾波和廣播。數據包處理器同時能支持數據白化/去白化以及曼徹斯特編碼/解碼。

小數分頻鎖相環將發送器和接收器調整到所要求的信道上。EZRadioPRO能在240MHz-960MHz范圍內提供完全的sub-GHz ISM頻帶的連續頻率覆蓋。能為全球各地新規劃的頻帶與標準提供即時地解決方案而無需額外的R&D。通過使用單一的LC-VCO解決了覆蓋如何寬闊的連續頻率范圍所帶來的挑戰,而該LC-VCO后面是一個可配置的分頻電路。

在高頻帶上的頻率分辨以及在低頻帶上的頻率分辨使精確的GFSK/FSK調制和信道調諧得以實現。頻率分辨的選擇也允許諸如10kHz、、100kHz等普遍的信道間距的準確調諧得以實現。通過使用額外的編程功能支持簡化的頻率可編程,該概念解決了最初定義的信道梯度大小和基頻,同時通過SPI接口簡單地編程信道碼到單一寄存器以訪問目標信道頻率。

小數分頻鎖相環的設定時間支持從接收到發送(和從發送到接收)的跳頻和快速的周轉時間。發送輸出信號的高頻譜純凈度在不違反頻譜分配規范的前提下,使更高水平地利用輸出功率成為可能。

作者:Rafi Fried

無線業務部總經理

Hardy Schmidbauer

RF設計經理

Henk de Ruijter

DSP架構經理

Integration Associates公司