短距离无线消费电子的RF前端设计

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)。

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                                                           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。

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                                                           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。

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                                                           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。

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                                                           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。