短距离无线消费电子的RF前端设计

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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A7105芯片组的特点和应用。?
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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：?
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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。?
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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)。?

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图1：基于A7105收发器的功能框图?

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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。?
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射频前端技术趋势?
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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：?
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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%。?
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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。?
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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。?
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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。?
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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。?
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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。?

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图2：A7105前端实现电路图。?

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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)。?
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调制方案：目前的许多产品采用幅移键控(ASK)或频移键控(FSK)。?
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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。?
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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)。?
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消费类产品的RF前端?
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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。?
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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。?
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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，下面将以中国台湾笙科(AMIC)公司的无线方案为例来讨论。?
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A7105收发器芯片组实现方案?
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图?1描述了一种采用AMIC公司A7105收发器芯片组的典型应用。


A7105?的控制界面为常见的SPI，通过SPI可以轻易的做功率的调整以及资料流量等等的设定。A7105的输出功率范围为-10～0dBm，接收灵敏度可达-?96dBm，当资料传输量低于250Kbps时，接收灵敏度更可达-100dBm以下；另外，A7105内建的LDO，工作电压范围为?1.9～3.6Volt，该芯片内部不仅具备RSSI/AFC/AGC等自动校正措施，而且外部不需要SAW?filter。加上A7105独有的无线唤醒机制，可大幅解决RF?IC待机时耗电上的问题，整体上，A7105低功耗的设计原则成功实现了低耗电的目标。A7105是短距离无线传输最佳的选择，500Kbps的资料量，低耗电的设计，非常适合于无线键盘、无线鼠标、家庭保全、无线遥控以及无线玩具等多种应用。针对市场区隔来说，A7105综合了其他品牌(2.4GHz无线射频收发芯片)的优点之外，A7105仅需少量的外部元件就可提供超低耗电，高感度的接收灵敏度，并支持各种低成本的石英震荡器，加上A7105本身独有的成本结构，绝对可以提供客户高效能、低耗电、低成本的无线应用。
仅需几个无源器件就可实现一个完整的方案，如图?2所示。?
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工作频率：2.4GHz，全球免许可申请频段。?
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低接收功耗：500Kbps@15mA；?
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低发送功耗：0dBm@20mA。?
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休眠电流：0.7μA；
输出功率：0dBm；?
灵敏度：-110dBm@2.5KBPS,?-104dBm@25KBPS,-97dBm@250KBPS,-93dBm@500KBPS,
数据传输速率：最高500bps。?
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A7105带有一个简单的三线数字接口，
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A7105整体方案?
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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。A7105的整体方案中考虑了这些设计需求和QoS问题，RF前端FSK调制方案、双工链接、内置FEC错误检测,CRC(CRC16),DATA?WHITENING和曼彻斯特编解码方案，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。?

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表2：无线消费产品的主要应用市场。?

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数据传输率：目前RF链接的总带宽为500KHZ。?
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距离：链接预算为110-93dB，有效室内距离可达40m，在RF前端增加一个功率放大器可将有效范围扩展到300米。?
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总系统成本低：A7105方案的总系统成本与低端方案相当。为进一步降低成本，A7105还为PCB上的天线布局提供了参考设计。?
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应用设计实例?
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下面将以采用A7105?RF前端的无线比例遥控器的设计为例讲述设计要求和步骤。?
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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，因为它将用于高速航模飞行控制；?
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；??
设计步骤?
1.?选择由A7105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.了解无线比例遥控器的数据传输方法。?
3.了解数据传输方法后，采用由A7105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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