坤哥
发表于 2006-1-20 22:26:00
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本文将以笙科 电子 的 2.4GHz IEEE 802.15.4射频 收发器 (适用于Zigbee标准,RF4CE则是基于Zigbee的 遥控器 应用规范)为例,介绍超低功率CMOS无线射频 芯片 的设计概要,从 电路 设计到系统观点,说明芯片设计和应用过程中需要考虑的地方。该芯片的设计考虑必须涵盖通讯标准规格、电路的行为模式。在接收部分,介绍了2.4GHz射频信号从 天线 接收后,进入LNA放大信号,经由混频器、 滤波器 、限幅器、接收端信号强度 指示器 (RSSI),最后到达数字 解调器 ,然后把接收数据存入RX-FIFO。另一方面,TX-FIFO内的数字信息经过 VCO 与双点差异积分 调制器 调制,把调制后的射频信号通过 功率放大器 (PA)放大,最后经由天线辐射出去。本文也会从系统观点出发,讨论天线与PCB硬件设计重点以及软件控制,以帮助读者理解如何通过A7153实现低功耗的Zigbee或RF4CE射频网络。
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Zigbee调制方式与PA设计考虑! w- F% ?0 J% \$ K8 G
( r/ }% E, E/ F8 M( ]( U7 B* w 2.4GHz Zigbee标准定义250kbps展频(DSSS)数据传输速率,并采用偏移四相移键调制加半正弦脉波整型调制方式,其等效于最小频移键调制(MSK)。相对于相移键调制(PSK)或正交分频多任务(OFDM),MSK是一种恒包络的调制方式,因此可以选用线性度不高但效率较高的PA以降低TX功耗。# H8 `' F/ I# N, _. j7 u
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TX 发射器 设计考虑
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" h3 t! T/ \$ U; z' K, q1 H# z 数字调制系统中,IQ调制是一种常见的架构。该架构将被调制的信号分成IQ成分,经由半正弦脉波整型及数字模拟 转换器 (DAC)转成模拟IQ信号,再通过四相混频器升频至RF信号。由于IQ信号使用数字电路实现,所以有较准确的调制指数,其缺点是需要较多的电路。8 Q3 W1 c( J7 _! [
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另一方面,由于2.4GHz Zigbee调制等效于MSK,而MSK可视为频移键调制(FSK)的一种,所以可以利用压控 振荡器 (VCO)来实现频移。由于不需要混频器等电路,所以得以降低电路复杂度及功耗。VCO调制设计有两种,一种为开回路,另一种为闭回路。开回路调制直接利用数据控制VCO频率,而未使用锁相环( PLL )或将PLL断开。这样虽可拥有较低功耗,但因频率未被锁住,会有恼人的频漂问题。6 z! ~$ e' h5 @4 G
, p4 G2 s5 a! H- _$ o: K 相对而言,闭回路系统通常采用delta-sigma调制,其方法是改变PLL除频器的除数,进而改变锁相频率。这种方法的VCO频率是牢牢被锁住的,可以解决频漂的问题,但由于受到回路频宽的限制,它通常适用于低数据率的系统。若要利用闭回路架构达到高数据率,可以采用双点差异积分调制器,即在差异积分调制上加入VCO调制。数据经由差异积分调制的路径上有低通的效果,即高频数据会被滤掉。相对地,在VCO调制的路径上有高通的效果。两者互补的结果,就可完整地调制数据。) q8 L& E7 [% g/ z1 S- y0 Z
" }: @, F) V4 k5 i5 H. H, n 值得注意的是,VCO的电压对频率转换曲线,会因半导体工艺而有变异,因此需要额外的校正电路来校正频移量。若设计的VCO有较线性的电压对频率转换曲线,则可大大降低校正电路的复杂度。) V- m/ @$ Q9 ?! \
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RX接收器设计考虑
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零中频及低中频是易于实现集成型接收器的两种架构。零中频接收器是将RF信号降频至基频,然后用模拟数字转换器(ADC)转成数字信号,再用数字信号处理器( DSP )将数据解调出来。由于中频频率为零,因此信道选择只需要用低Q值的低通滤波器(其消耗电流也相对较小)。但零中频接收器也有一些缺点,例如直流偏移及闪烁噪声。为解决这些问题,必须增加额外电路,并功耗。; d6 P: ]2 n2 m9 \+ P* q( K
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低中频接收器则是将RF信号降至适当的中频,以缓解上述直流偏移及闪烁噪声等问题。但是低中频接收器存在映像干扰的问题,因此低中频接收器需要映像抑制滤波器,此外信道选择滤波器必须采用 带通滤波器 (BPF),这使得滤波器所需的Q值较高,也比较耗电。
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与ODFM或PSK相比,FSK(或MSK)系统的最大优势是简单的解调器。简单的解调器也代表了较低功耗设计。FSK调制可用非同调解调。非同调解调器不需解调载波、不需要模拟数字转换器(ADC),也不需ADC之前的线性 放大器 或自动增益放大器(AGC),从而可大幅降低电路复杂度及功耗。但非同调解调的灵敏度比同调解调略差1.5dB,所以解调器的选择需依芯片接收灵敏度设计目标来取舍。 |
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