短距离无线消费电子的RF前端设计

标签:RFRF前端
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引言

        随着系统成本和功耗进一步降低以及产品性能的提高,无线短距离消费电子市场正高速增长。本文将向设计工程师介绍一些市场上出现的新趋势和方案,并介绍RFW102芯片组的特点和应用。
  
        短距离无线应用是指可在最远100米范围内传输数据的解决方案。无线短距离应用主要有以下几种: 

        无线局域网(WLAN) 可替代有线LAN连接的高速传输方案(11~56Mbps)。WLAN方案在办公室应用场合很普遍,而且在小型办公室/家庭办公(SOHO)和私人住宅等应用场合也越来越流行。其室内有效距离通常是100米。 

        个人区域网络(PAN) 适用于10米范围内的中等传输率应用环境(有些PAN有时需要更远的距离)。该方案主要针对开放环境应用和产品(蓝牙)。

                                                           图1:基于RFW102收发器的功能框图 

        无线短距离消费类产品中低速数据传输应用,有效范围在30米内,该类产品可能跟一些PAN应用有重叠。该类方案一般针对封闭应用环境和产品,目前这类产品存在很多解决方案。

射频前端技术趋势 

        由于消费类产品对无线通信功能的需求不断增长,针对这些需求目前存在各种技术方案,而各种技术方案的优越性可用下面五个关键指标来衡量: 

        成本:成本越低,应用越广,市场潜力也就越大。可以这么说,当成本每降低10%,市场潜力将会扩大100%。 

        传输范围:短距离无线方案的适用范围一般在室内30米以内。 

        电源效率:无线设备在许多情况下是由电池供电的,因此电池使用寿命是一个关键指标。这一问题将会间接地反映在成本上,因为功耗大,消费者就必须更频繁地更换电池。即使使用可充电电池,消费者也需要更强劲的电池,以便每次充电后的使用时间尽可能长。 

        服务质量(QoS):满足数据传输率要求条件下提供可靠的数据链接。 

        高数据传输率:该参数可为无线消费产品市场开辟新的应用领域。过去由于成本问题而无法实现的应用,现在也可通过恰当的设计来实现。 

        一个无线方案一般由RF前端和媒体访问层(MAC)两部分组成。RF前端主要由以下几个性能指标来衡量: 

        链接预算:链接预算[dB] = 输出功率[dBm] - 灵敏度[dBm]。输出功率是指发射时从发射器输出的功率,灵敏度是指接收器的灵敏度。10米室内距离要求至少70dB的链接预算,当前的许多产品都满足这一要求。输出功率一般为0~10dBm,灵敏度为-80~-90dBm。

                                                           图2:RFW102前端实现电路图。 

        工作频率:消费类产品不能承受频率占用的费用,最好工作在无需申请许可的ISM频段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM频段,供应商所使用的其它频段还有900-928MHz (只适用于美洲大陆)和868-870MHz (欧洲的大部分地区)。 

        调制方案:目前的许多产品采用幅移键控(ASK)或频移键控(FSK)。 

        扩频方案:频谱扩展可为工作于ISM频段的无线应用实现稳定性和安全性。常用的两种扩频方案是跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS),这两种完全不同的扩频方案都具有同样的稳定性。 

        接收器/发射器/收发器:单工链接是指每一边(节点)在某一时刻要么发射(发射器),要么接收(接收器),但不能同时发射和接收;而双工链接则意味着每一节点都可同时发射和接收(收发器)。 

消费类产品的RF前端 

        无线短距离消费市场是一个庞大的市场,有着各种各样的产品(见表2)。但从消费者的角度来看,现今的产品还无法以合理的价格提供令人满意的解决方案。

  无线产品厂商在选择技术方案时,一般更注意成本问题,甚至认为成本比质量更重要。但是消费者并不能接受这种思想,他们希望无线产品至少能跟低价位有线产品一样好。因此,无论一个无线方案多么好,只要不能实现合理的价格,它就无法应用于消费类产品;同样,如果所用的无线方案不能提供跟有线方案同样好的数据链接性能,消费者也不会满意。表 1给出了改善以上讨论的5个基本参数的技术要求。 

        因此,一个重要的问题是找到一个超低价格的无线方案,并具有高性能。由于所有的无线方案都面临前面所讲的问题,下面将以RFWaves公司的无线方案为例来讨论。

RFW102收发器芯片组实现方案 

        图 1描述了一种采用RFWaves公司RFW102收发器芯片组的典型应用。该方案包括两个主要部分:RF前 端和数字后端。

                                                           表1:改善系统成本和性能的要求。

RF前端

RF前端采用RFW102收发器芯片组,包括RFW24、RFW488C和RFW488R三个芯片。RFW24--完成所有的时序、放大、切换、发送和接收功能。

RFW488C--在石英基底上实现的4引脚SAW相关器(correlator)。该芯片是一个完全非差分无源器件,是DSSS扩频和去扩频的基本单元。他可作为横向13位BPSK Barker码相关器(匹配滤波器)。

RFW488R--单端口SAW谐振器,谐振频率为488MHz,可作为系统的CW振荡源。

除RFW102芯片组外,仅需几个无源器件就可实现一个完整的方案,如图 2所示。RFWaves调制解调器具有以下特性:

工作频率:2.4GHz,全球免许可申请频段,采用DSSS技术。

低接收功耗:1kbps@40μA;10kbps@380μA;100kbps@3.8mA;1Mbps@38mA

低发送功耗:1kbps@25μA;10kbps@220μA;100kbps@2.2mA;1Mbps@21mA

待机电流:2.6μA;唤醒时间:20μS;同步时间:1μS。RFWaves收发器仅需一个比特实现同步(实现同步时间为1.2μS);

输出功率:+2dBm;灵敏度:-80dBm。

数据传输速率:最高1Mbps。

RF前端带有一个简单的三线数字接口,具有如下基本功能:

Tx/Rx--确定工作模式;

TxD/RxD--可发送和接收数字信号的双向线;

ACT--实现待机模式,节省电能。

数字后端

  RF前端接口数据线是一种异步串行位管线。由于数据采用射频链接,因此必须提供检错/纠错方案。为了使用低端MCU以降低总成本,MCU必须支持MAC/协议功能。因此,在RF前端和MCU之间存在一个硬件实现的接口。

  如前所述,系统采用一个运行MAC/协议和应用程序的低端MCU。该MCU可视应用要求的不同而配置各种特殊接口,如USB、SPI和I/O等。由于只使用了一个MCU显然可降低成本,并降低系统功耗。除由RFWaves合作伙伴提供的数字后端外,开发者还可获得协议文件及源代码参考设计。

RFWaves整体方案

  消费产品开发商都希望采用易于集成的设计单元,简化设计和降低风险,并采用尽可能多的现成单元。而RF前端一般都很复杂,需要丰富的通信知识及设计技巧。基于上述的事实,设计工程师迫切需要一个易于集成的方案,该方案将RF和通信电路作为“黑匣子”来处理,有了这个黑匣子,设计者只需了解它如何与应用系统连接即可。RFWaves的整体方案中考虑了这些设计需求和QoS问题,前端采用13位barker DSSS方案、双工链接、错误检测方案,以及根据应用不同的协议变换。  

        超低功耗:接收和发送时的低功耗、极低待机电流、极短唤醒时间和快速获取时间,以及可利用系统空闲时间进入待机模式的协议。

                                                           表2:无线消费产品的主要应用市场。 

        数据传输率:目前RF链接的总带宽为1Mbps。 

        距离:链接预算超过80dB,有效室内距离可达25m,在RF前端增加一个功率放大器可将有效范围扩展到100米。 

        总系统成本低:RFWaves方案的总系统成本与低端方案相当。为进一步降低成本,RFWaves还为PCB上的天线布局提供了参考设计。  

应用设计实例 

        下面将以采用RFWaves RF前端的无线游戏键盘/操作手柄的设计为例讲述设计要求和步骤。 

        游戏键盘是附加到游戏平台(PS2、Xbox或Gamecube)或PC上的一种游戏控制外设,最近几年无线游戏控制键盘和操作手柄时常非常火暴。

基本要求 

        低成本--每个消费产品都有此要求; 

        低延迟--极快的响应时间,因为它将用于高速游戏; 

        传输率--相对较高的数据传输率; 

        多设备共存--最高16个设备可在同一区域同时工作; 

        一个游戏平台可支持4个控制键盘; 

        双工链接--返回游戏平台发出的反馈信号; 

        QoS--在该实例中尤其重要,如果产生游戏平台不能接受的任何操作都会影响游戏者的娱乐感受。

设计步骤 

        1. 选择由RFWaves合作伙伴之一提供的合适数字后端(I/O端口、RAM和ROM等)。根据不同的应用选择一个不同的数字后端。 

        2.了解游控制键盘和游戏平台之间的数据传输方法。 

        3.了解数据传输方法后,采用由RFWaves提供的正确协议作为参考。 

        4. 在MCU上实施MAC/协议和应用软件。 

        5. 调试 

        6. 建立原型样机。

本文总结

  无线消费应用是一个巨大的市场,而且每年都以飞快的速度增长。但是,很多开发商在这方面遭遇过失败,并且缺乏应用经验。此外,与有线产品相比,在价格和性能上现在的很多无线方案还存在不足。随着更多的低成本、高性能短距离无线传输方案的推出,相信将会有更多、更好的无线消费产品可供选择,无线消费产品市场也将不断扩大。

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