恰当选择无线设计技术降低连接成本

本文讨论了在利用短距设备(SRD)建立产品间的无线连接时应注意的一些基础问题。重点讨论了专为可无证使用的频段(如315/433/868及915MHz)设计的系统。这类系统的设计在过去是严格保密的，只有那些多年从事RF设计工作的设计者了解其中内幕。但如今，许多厂商都要提供这类设计组件，简单的如单开关键控发射机，复杂的如多通道GMSK收发机。以下提供了一些设计指导方针，遵循这些方针进行设计会得到比较成功的设计。

在工厂中或在家中，人们常常会遇到这种情况：需要监控某台机器的状态，要小心某种危险事件的发生，要传送数据，要连接某些设备或者要远程控制某物。这时，传统的方法是使用电缆来进行设备间的连接。但电缆的使用会受许多因素的制约，例如：

-被连接设备之间的距离太远；

-地形崎岖不平；

-需连接设备处于危险地区；

-连接路线上存在物理障碍；

-被连接的设备处于移动/运动状态；

-被连接设备为电池供电的便携产品；

-电缆连接和电缆安装的费用太高。

在家庭应用中，简单如一堵墙或几堵墙都会成为常见的物理障碍，因为电缆需要穿过的墙越多，其安装费用就越高。而在工厂中，常有人来往的楼层就更不可能用电缆，因为电缆在这种场合工作不可靠，常常会被损坏。这时，采用无线技术就能给用户带来许多好处。因而，短距无线应用就成了一种较好的替代方法。

确定了采用无线技术之后，究竟应选择哪种无线解决方案呢？要无线监控某设备时，传统的解决办法是使用IR技术。IR技术有它的优点，它使用简单，成本也低。但它的一些缺点也让用户感到很麻烦，比如作用距离太短、方向性太强、穿透物理障碍的能力也不够。通过红外与PC进行数据传输的无线鼠标和无线键盘就是一个例子。用户在使用这种鼠标和键盘时必须非常小心地选择其放置位置，如果位置选得不好，就无法成功链接。相比较而言，采用RF无线技术的鼠标和键盘在这方面就没有那么严格的限制。最近，价格低廉的RF无线技术在许多系统中都成为了IR通信技术的强有力的竞争对手。RF无线技术具有以下优点：

-穿透物理障碍的能力较强；

-可通信距离较远；

-全向发射模式。

过去，有些车子配备了IR远程无缝登录(RKE)系统，但今天这种系统已不多见了，因为RF无线技术的价格比IR技术更有优势。

在确定了所选用的解决方案之后，还要选择合适的频段。在进行真正的RF设计之前，首先应考虑那些会影响操作频段选择的因素。例如：

-设计应用地区的频率使用规范和标准；

-传输距离；

-功耗；

-数据率。

频率使用的标准和规范

频谱属于有限的自然资源，只能由多用户共享，因而政府通常都会制定频率使用规范以保证所有用户都按同样的规则进行操作。频率使用规范所涉及的方面很多，但大多数这类规范都会涉及以下几个参数：

-频率；

-发射功率；

-寄生频率成分；

-占空比(使用比例)；

-传输特殊信息(如音频或视频)时的限制；

-通道宽度。

通常27MHz和2.4GHz是全世界公认的SRD应用频段，无线键盘和无线鼠标就常常使用这两个频段。但大多数国家在这两个频段之间还有其他的SRD可应用频段。如欧洲有433/868MHz，美国已在使用315/433频段，可能还会开通902-928MHz频段。

在亚洲，不同国家的频率使用规范不尽相同，但与美国和欧洲类似，大多数国家都使用433MHz频段，只有韩国和日本例外，这两个国家对通道宽度有严格要求，因而只能使用窄带系统。

传输距离

对大多数无线系统设计而言，不论在室内或是室外都有一个最远作用距离指标。通过以下讨论可以看出，很多因素都会影响这一指标(图2)，其中包括：

======================================

-Pout- -发射功率

-Gant-TX -天线增益(损耗)-发射机

-路径损耗 -在自由空间内或介质内的损耗

-Gant-RX -天线增益(损耗)-接收机

-灵敏度 -最小可识别功率

====================================

我们必须认识到，以上这些参数中的任何一个增大或减小6dB都相当于传输距离增大一倍或缩短一半，所以，尽管不同品牌的RF芯片Pout和灵敏度相差也就5到6dB，但这两个参数的差别引起的传输距离的差异却有近4倍。这些参数的定义在不同的数据手册中往往变化很大，因而在研究这些参数的数据手册时必须多加留意。

前面讲到，天线的增益或损耗对传输距离这一指标有较大影响，然而天线的重要性却往往得不到人们的重视。我们有时会看到一些增益只有-40到-50dB的天线。当设计很差劲或调整得很差时，做出来的天线就会是这样的。所以最好是使用RF芯片厂商建议使用的天线，这样就能较好地保证可靠性。SRD应用中常用的小型低功耗天线是环行天线。这种天线可以直接蚀刻在PCB板上，因此除了会占用一定的PCB面积之外，不会带来其他的成本增长。图3给出了一个频率为868MHz的SRD收发机的PCB，在该PCB板上直接刻出了一个9.5mm×9.5mm的天线，典型Gant约为-20dB到-25dB。

天线的物理尺寸对其增益有很大影响，当尺寸固定时，天线增益还会因所发射或接收信号的频率不同而发生变化。对尺寸相近的天线而言，接收信号的频率越高，增益就越大。

路径损耗主要由三部分组成：空间损耗、穿透和绕过物质时产生的损耗以及多径效应。当传输路径不理想时(图4)，发射信号可能通过多条不同路径到达接收机天线。不同的路径长度不同，发射信号经过不同路径到达接收机后混合，由于信号相位不一致，叠加后信号可能变小，并且在时域内变得模糊，这样就产生了符号内噪声。433MHz和868MHz对应的波长分别为0.69米和0.35米，因而对应用于这两个频段的设备而言，若收发单元中的一方移动或双方同时移动，就会导致信号变弱，并且信号变弱的程度将在一个较小的范围内变化。此外，就算收发单元都是固定的，它们附近若有移动物体(如人、家具或仪器)也会导致信号减弱。

多径效应是由信号在物体上或物体表面发生反射、绕射和散射引起的。在考察多径效应时需要考虑的一个重要因素是环境障碍引起的损耗，这里指的障碍包括地板、墙、建筑物和窗户等。损耗的大小在很大程度上由障碍物的物理特性决定。例如，由钢筋混凝土构成的墙就比木质墙或石膏墙引起的损耗大。镀金属的窗户也比普通窗户带来的损耗大。表1给出了433/868及915MHz频带的典型损耗。在同样情况下，诸如蓝牙等的2.4GHz系统的损耗就要大得多。

发射机发射的RF信号在自由空间中传输时也会损失能量，这种能量的损耗和信号频率成正比。由此我们不难理解为什么当输出功率、灵敏度和天线增益都相同时，工作频率为2.4GHz的蓝牙系统的可传输距离仍然远小于工作频率为433MHz的系统。

功耗和数据率的关系

对无线通信系统而言，功耗和数据率这两个参数间有着紧密的联系。我们在查看元件的数据手册时总会注意一下该元件的漏电流，从中了解其功耗，并根据所使用元件的大概功耗估计整个系统的功耗。但我们必须意识到，将数据率提高一倍(例如从9.6Kbps提高到20Kbps)会使传送数据所需时间缩短一半。也就是说，以两倍数据率工作的元件其电流导通时间比原来短一半，于是每比特消耗的电流也就降低了一半。此外，还有两个因素也会造成数据率降低和功耗增大：1. 数据编码(例如曼彻斯特编码)；2. 为建立接收机初始状态而使用训练序列。

微控制器

用RF芯片构建无线系统时通常需要一块微控制器或微处理器来建立和运行协议--见图5。不论系统上运行的是何种协议或标准，这块微控制器或微处理器都是不能少的。

无缝登录系统、汽车报警器或无线游戏杆等小型无线系统几乎无一例外都会采用一种专门的小型协议。这种协议可以在任何8位低成本低功耗的微控制器上运行。但是象蓝牙、IEE802.11等的无线通信系统就必需利用功能强大的16位或32位微控制器或DSP来运行其协议或进行一些其他操作，这样成本和功耗会大大增加。同时，对于蓝牙这类标准而言，还必需采取一定的措施以保证不同厂商生产的产品之间能够实现互通，这也会大大增加成本。

集成RF电路

RF芯片是一个无线系统的核心。选错了芯片会导致生产成本过高，利润降低。对于RF系统而言，测试和人工调试所需的费用在整个成本中占了很大比例，因此估计整个系统的最终成本时必须考虑这部分费用。图6给出了一个集成无线收发机的例子。

所有的RF芯片制造商都在为使产品同时具有高集成度和低成本而努力。但仍然有一些元件是很难或者根本无法集成到芯片中去的，这些元件就被安放在芯片外部。由图6可以看出，晶振、PLL环路滤波器和VCO的电感都放在了芯片外部。这些元件的值、摆放位置和精度对整个系统能否正常工作都非常关键。

布线和设计

在一个RF系统中，有时既有模拟信号又有数字信号，二者甚至可能相距很近。模拟信号有时很小，甚至比相邻的数字信号小一百万倍。因此在进行无线设计时，对每个RF芯片的布线都要非常小心。建议按以下的规则进行设计：1. 设置一个良好可靠的接地平面；2. 在系统中将数字信号和敏感的模拟部分(VCO、PLL中的环路滤波器、外部滤波器等)分开布线；3. 参考RF芯片厂商提供的Gerber(电路板光绘)文件。

本文小结

综上所述，在无线系统中有许多参数会影响RF芯片组件的选择。设计者在进行无线设计时不但必须考虑设计应用的地区，该地区的频率使用规范，以及运行协议的微控制器，还要考虑RF芯片自身的特性。

参考文献

Guidelines To Low Cost Wireless System Design, Frank Karlsen, RF Designer Wireless Communication, Nordic VLSI ASA.

作者：

Geir Langeland

Nordic公司

Email: geir.langeland@nvlsi.no