無線通訊市場的趨勢一直朝向低成本,、低消耗功率、小體積等目標(biāo),。短距離裝置產(chǎn)品（Short-RangeDevices ）更在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（sensor network） 概念的推波助瀾下,，帶動了射頻芯片（RF IC）的需求量大增，射頻收發(fā)器 （TRX）要達(dá)到低功耗設(shè)計(jì),，低電壓工作是必要條件,，然而，電路的效能與工作電壓有關(guān),，在兼顧到效能與低功耗之間,，是一個很大的挑戰(zhàn),。近年來，RF IC之制作技術(shù)日新月異,。高速,、低功率組件更是眾所矚目之焦點(diǎn)，目前0.13um RF CMOS工藝的晶體管,，fT 值可達(dá)到60 GHz,，這表示CMOS晶體管有足夠的能力來處理高頻信號，所以產(chǎn)業(yè)界的主流幾乎以RF CMOS 技術(shù),，致力于低功率RF IC的優(yōu)化與研究,。

　　本文將以笙科電子的2.4GHz IEEE 802.15.4 射頻收發(fā)器 （適用于 Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)，RF4CE則是基于Zigbee的遙控器應(yīng)用規(guī)范） 為例,，介紹超低功率CMOS無線射頻芯片的設(shè)計(jì)概要,，從電路設(shè)計(jì)到系統(tǒng)觀點(diǎn)，向讀者說明芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要考慮的地方,。該芯片設(shè)計(jì)考慮必須涵蓋,，通訊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、電路的行為模式,。在接收部分,，介紹了2.4GHz 射頻信號從天線接收后，進(jìn)入LNA放大信號,，經(jīng)由Mixer，F(xiàn)ilter,，Limiter,，RSSI，最后到達(dá)數(shù)字解調(diào)器,，最后把接收數(shù)據(jù)存入RX-FIFO,。另一方面，TX-FIFO內(nèi)的數(shù)字信息經(jīng)過VCO與雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器（two-point delta-sigma modulation） 調(diào)變,，把調(diào)變后的射頻信號透過PA放大,，最后經(jīng)由天線輻射出去，本文亦會從系統(tǒng)觀點(diǎn),，提出天線與PCB硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn),，加上軟件控制，協(xié)助讀者理解如何透過A7153實(shí)現(xiàn)低功耗的Zigbee 或 RF4CE射頻網(wǎng)絡(luò),。

　　Zigbee 調(diào)變方式與PA設(shè)計(jì)的考慮

　　2.4GHz Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)定義250kbps展頻（DSSS）數(shù)據(jù)傳輸速率,，并采用偏移四相移鍵調(diào)變加半正弦脈波整型調(diào)變方式（Offset-QPSK with half-sine pulse shaping），其等效于最小頻移鍵調(diào)變（MSK）,。MSK相較于相移鍵調(diào)變（PSK）或正交分頻多任務(wù)（OFDM）,，是一種恒包絡(luò)（constant envelope）的調(diào)變方式,，因此可以選用線性度不高但效率較高的功率放大器，以降低TX功耗,。

　　TX發(fā)射器設(shè)計(jì)考慮

　　數(shù)字調(diào)變系統(tǒng)中,，IQ調(diào)變是一種常見的架構(gòu)。該架構(gòu)將調(diào)變的Data分成IQ成分,，經(jīng)由半正弦脈波整型及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)成模擬IQ訊號,。再透過四相混頻器（quadrature mixer）升頻至RF訊號。由于IQ訊號使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),，因此有較準(zhǔn)確的調(diào)變指數(shù)（modulation index）,，缺點(diǎn)是需要較多的電路。

　　另一方面,，由于2.4GHz Zigbee調(diào)變等效于MSK,，而MSK可視為頻移鍵調(diào)變（FSK）的一種，因此可以利用壓控振蕩器（VCO）來實(shí)現(xiàn)頻移,。由于不需要混頻器等電路,，因此得以降低電路復(fù)雜度及功耗。VCO調(diào)變設(shè)計(jì)有兩種,，其一為開回路（open loop）,，其二為閉回路（close loop）。開回路調(diào)變直接利用數(shù)據(jù)控制VCO頻率,，而未使用鎖相回路（PLL）或?qū)LL斷開,。這樣雖可擁有較低功耗，但因頻率未被鎖住,，會有惱人的頻漂（frequency drift）問題,。

　　相對而言，閉回路系統(tǒng)通常采用delta-sigma modulation,，它的方法是改變PLL除頻器的除數(shù),，進(jìn)而改變鎖相頻率，其結(jié)果的VCO頻率是牢牢被鎖住的,，因此可以解決頻漂的問題,。但是受到回路頻寬（loop band-width）的限制，通常適用于低數(shù)據(jù)率的系統(tǒng),。想要利用閉回路架構(gòu)達(dá)到高數(shù)據(jù)率,，則可采用雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器（two-point delta-sigma modulation），即在差異積分調(diào)變上加入VCO調(diào)變,。數(shù)據(jù)經(jīng)由差異積分調(diào)變的路徑上有低通（low pass）的效果,，即高頻數(shù)據(jù)會被濾掉。相對地，在VCO調(diào)變的路徑上有高通（high pass）的效果,。兩者互補(bǔ)的結(jié)果,，即可完整地調(diào)變數(shù)據(jù)。

　　值得注意的是,，VCO的電壓對頻率轉(zhuǎn)換曲線,，會因半導(dǎo)體工藝而有變異，因此需要額外的校正電路來校正頻移量,。若設(shè)計(jì)的VCO有較線性的電壓對頻率轉(zhuǎn)換曲線,，則可大大降低校正電路的復(fù)雜度。

　　RX接收器設(shè)計(jì)考慮

　　零中頻（Zero-IF）及低中頻（Low-IF）是易于實(shí)現(xiàn)整合型接收器的兩種架構(gòu),。零中頻接收器是將RF訊號降頻至基頻（base-band）,，然后用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)成數(shù)字訊號，再用數(shù)字訊號處理器（DSP）將數(shù)據(jù)解調(diào)出來,。由于中頻頻率為零,，因此通道選擇（channel selection）只需要用低Q值的低通濾波器，低Q值通道選擇濾波器的消耗電流也相對較小,。但零中頻接收器也具有一些缺點(diǎn),，例如直流偏移（DC offset）及閃爍噪聲（flicker noise）。為了解決這些問題,，必須增加額外電路及功耗,。

　　低中頻接收器則是將RF訊號降至適當(dāng)?shù)闹蓄l，以舒緩上述直流偏移及閃爍噪聲等問題,。但是低中頻接收器則有映像干擾（image interference）的問題,，因此低中頻接收器需要映像抑制（image rejection）濾波器，同時,，通道選擇濾波器必須采用帶通濾波器（BPF）,。這使得濾波器所需的Q值較高，也比較耗電,。

　　FSK（或MSK）系統(tǒng)相較于ODFM或PSK,，最大的優(yōu)勢就是簡單的解調(diào)器,，簡單的解調(diào)器也代表了較低功耗設(shè)計(jì),。FSK調(diào)變可用非同調(diào)（non-coherent）解調(diào)。非同調(diào)解調(diào)器不需解調(diào)載波（carrier）,、不用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）,，也不需ADC之前的線性放大器或自動增益放大器（AGC），可大幅降低電路復(fù)雜度及功耗,。但非同調(diào)解調(diào)的靈敏度較同調(diào)解調(diào)略差3dB,，所以解調(diào)器的選擇需依芯片接收靈敏度設(shè)計(jì)目標(biāo)來取舍。

　　2.4GHz IEEE 802.15.4 無線收發(fā)器實(shí)例

　　從上述綜合考慮，以笙科電子的A7153為例,。A7153提供了 250kbps 的展頻數(shù)據(jù)傳輸速率以及范圍為- 20 至 5dBm 的可編程 RF 輸出功率,， 超高接收靈敏度 （-95dBm @ PER《1%）。硬件 MAC 提供 128 位 AES 加密和認(rèn)證,，及SPI 接口,。這些接口使得對連接各種MCU變得非常方便。

　　A7153整合了RF IC所需的模擬電路,，如VCO （良好的VCO曲線線性度,，提供雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器在高低溫工作條件下的穩(wěn)定性）、閉回路系統(tǒng)PLL,、PA （及其匹配電路）,、RF switch、LNA（及其匹配電路）,、Gilbert-cell 混頻器（Mixer）,、映像抑制濾波器，以及限制器（limiter）,。A7153的Mixer與LNA設(shè)計(jì)成增益可調(diào),，用來提升整體接收器線性度表現(xiàn)，*斷混頻器設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)為IIP3,，IIP3數(shù)值越大,，代表著第三階交互調(diào)變訊號會干擾到欲接收訊號的程度越低，也就是線性度較好,，不幸的是,，在射頻電路設(shè)計(jì)中，增益與線性度經(jīng)常要互做取舍,。天線接口部分,，A7153內(nèi)建的PA及LNA的腳位型態(tài)（pin configuration）上，采用單端（single-ended）輸出入合并設(shè)計(jì),，因此可省去外部昂貴的平衡非平衡適配器（balun）,。為達(dá)更長的傳輸距離，笙科電子也提供CMOS工藝的整合型高功率PA（A7700,，含LNA）,。A7153整體電路均采用低電壓設(shè)計(jì)，低電流驅(qū)動架構(gòu),，達(dá)成低消耗功率的目標(biāo),。

　　另外，A7153整合了晶體振蕩器（crystal oscillator）的負(fù)載電容及PLL濾波組件,，大幅減少了外部被動組件,?；l部分整合了許多功能，包含TX-FIFO與RX-FIFO,，自動序碼（preamble）添加,、同步碼及CRC檢查碼，展頻碼,。此外,，A7153內(nèi)建的AES-128 硬件加速器，提供軟件工程師很容易實(shí)現(xiàn)符合Zigbee （IEEE 802.15.4）安全標(biāo)準(zhǔn)之CCM*模塊,。支持載波感測多重存取 / 碰撞避免機(jī)制（CSMA/CA,，Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance）溝通方式，含自動應(yīng)答（Auto ACK）功能,，信道能量偵測（ED）及連結(jié)質(zhì)量指示（LQI） ,，大幅降低MCU的負(fù)擔(dān)及功耗。

　　Zigbee硬件應(yīng)用層次

　　設(shè)計(jì)Zigbee射頻模塊,，需要用到許多微波電路知識,，比如說將PCB Trace等效為天線、傳輸線,、阻抗匹配,、訊號反射、絕緣層材料選擇,、駐波處理,，地面（Ground Plane）完整性等，這些因子均會影響RF模塊性能表現(xiàn)及EMC問題,。

　　RF PCB設(shè)計(jì)最基本的是把電源處理,、地面完整性，RF走線,、敏感電路和數(shù)字信號一一分區(qū)處理,。因此，零組件布局是RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,，一般來說,，最先處理的是RF路徑及Xtal路徑上的零組件布局，比如說兩個電感布局不要平行靠在一起,，因?yàn)檫@將形成互感,，造成信號干擾，因此最好將兩個電感放成直角排列,，讓互感減到最小,。其次是提供RF IC最需要的干凈電源,，電源一定要濾波,，電源去耦組件要盡可能靠近IC引腳并接地，同時考慮PA啟動瞬間，瞬時大電流需求的電源問題,，另外,，電源走線要越短越好，并遠(yuǎn)離RF信號線或Xtal等干擾源,，（電源問題常常造成異常的RF效能與EMC問題）,。

　　一般使用雙層的FR4 PCB時，會將主接地面安排于PCB下層,，RF訊號走在表層上,。在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離仿真電路是不變的原則,，它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì),。當(dāng)一些高速信號線要穿過了破碎的地面，這絕對不是一件好事,，必須盡可能避免,，所以要保持PCB下層地面的完整性。針對PCB上層的走線,，亦應(yīng)避免形成過多的游離地,，因?yàn)樗鼈儠褚粋€小天線，提供干擾源侵入的路徑,。在大多數(shù)情況下,，可以把這些游離地去掉。

　　笙科電子A7153的參考模塊,，其PCB天線采用F型天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，支持全向輻射場形。要把天線的性能發(fā)揮到極致,，從應(yīng)用的角度來講,，RF模塊的天線最好伸出母版的邊緣，RF模塊下面的母版最好不要走線,。RF模塊和產(chǎn)品外殼的整個設(shè)計(jì)也會影響天線的性能,。粗劣的設(shè)計(jì)會影響天線場形，使發(fā)送信號出現(xiàn)反射,、折射,、散射，結(jié)果造成傳輸距離的大幅縮短,。以下的一些設(shè)計(jì)指南有助于確保天線的性能,，比如，不要直接在模塊的天線下面設(shè)置接地面或布銅線,，天線要盡可能遠(yuǎn)離金屬物體,，PA路徑下方,，盡可能保有一塊完整的地面。

　　Zigbee軟件應(yīng)用層次

　　Zigbee 設(shè)備最常采用的省電方法是使傳感器進(jìn)入周期性的睡眠狀態(tài),，以便獲得長久的電池壽命,。也就是說，A7153為了進(jìn)一步降低平均功耗,，內(nèi)建了無線喚醒機(jī)制,，MCU先啟動A7153的無線喚醒機(jī)制，然后進(jìn)入睡眠模式,。此時,，除了低功耗無線喚醒定時器仍在運(yùn)作外，其余電路均自動進(jìn)入睡眠模式,。待定時器數(shù)到預(yù)定時間時,，A7153會自動進(jìn)入接收狀態(tài)，去偵測有無射頻封包,。若有,，則收下封包并喚醒MCU，待微控器下達(dá)進(jìn)一步指令,。若在某預(yù)定時間內(nèi)未偵測到封包,，則A7153又會自動進(jìn)入睡眠模式并重新開始計(jì)時，形成周而復(fù)始的工作周期（Duty Cycle）,，直到收到封包,。

　　由上述可知，工作周期（Duty Cycle）的長短直接影響數(shù)據(jù)傳輸效率以及能源的消耗,，長工作周期可以增進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸效率但是功耗較多,，短工作周期可以節(jié)省能源消耗但傳輸效率下降。A7153提供Zigbee定義的16個射頻通道 （ RF4CE 則是從16個信道取出三個信道,，分別為2425M / 2450M / 2475MHz）,，MCU只需改變A7153一個緩存器，即可達(dá)到換頻,。MCU亦可利用A7153接收端訊號強(qiáng)度指示（RSSI）,，得知當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)上訊號強(qiáng)度，計(jì)算出貼近網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的真正表現(xiàn),。另外,，透過CSMA/CA溝通方式，可獲得更理想的傳輸效能,，同時大幅地降低了封包碰撞的能量消耗,。

　　Zigbee也定義了一個帶有時間同步標(biāo)志的可選超幀（superframe）結(jié)構(gòu)，高優(yōu)先級通信的 GTS （Guaranteed-Time-Slot）機(jī)制,，保障無延時或競爭的通信,，支持高達(dá) 65,，000 個節(jié)點(diǎn)，不同型態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?（星形,、叢集或網(wǎng)狀）。極低的工作周期（duty cycle）可以讓使用鈕扣電池的節(jié)點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行數(shù)年,。

　　當(dāng)軟件工程師啟動AES128加密功能時,，A7153僅在發(fā)射或接收數(shù)據(jù)封包時才執(zhí)行。因此,，平均功率仍然很低,。

　　RF4CE 射頻遙控器--全球新標(biāo)準(zhǔn)

　　ZigBee 聯(lián)盟主席 Bob Heile 表示：＂RF4CE 為電子產(chǎn)品制造商提供了一種全球性標(biāo)準(zhǔn)，從而簡化對各種消費(fèi)電子設(shè)備的操控,，并改善用戶體驗(yàn),。今后，消費(fèi)者將享有更大的便利,，更加靈活地使用消費(fèi)電子設(shè)備,。＂笙科電子一直很關(guān)注RF4CE的市場需求，基于A7153高性價(jià)比（Cost / Performance）的競爭優(yōu)勢,，除了滿足RF4CE遙控器常見的五大優(yōu)點(diǎn)外,，協(xié)入客戶使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趨勢,，取得成本優(yōu)勢,。

　　1.發(fā)射瞬間電流為IrDA的十分之一，因此遙控器可以有更長的電池壽命

　　2.利用雙向通訊,，能夠定位找不到的遙控裝置

　　3.通用指令集實(shí)現(xiàn)真正的互操作性,，封包加密，無需使用多個遙控裝置

　　4.能夠?qū)[放在幾乎任何位置的設(shè)備進(jìn)行操控,，特別是隱密的地方

　　5.新的交互式功能,，增強(qiáng)的用戶接口和先進(jìn)的顯示功能

　　結(jié)論

　　笙科電子的A7153，定位上就是鎖定RF4CE相對單純的點(diǎn)對點(diǎn)架構(gòu),，該芯片內(nèi)建簡單好用的硬件功能,，低功耗的芯片架構(gòu)，提供軟件工程師設(shè)計(jì)出長電池壽命的RF4CE遙控器,。RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的背后有國際一線消費(fèi)性電子大廠力挺,，因此，RF4CE被預(yù)估為Zigbee 殺手級的應(yīng)用,，成為IEEE 802.15.4最重要的市場,，使用者只需選擇通用型的8051 （或其它8位單芯片），搭配笙科電子A7153的開發(fā)平臺,，即可設(shè)計(jì)出成本最佳化的RF4CE遙控器,，RF4CE除了逐步取代既有紅外線遙控器市場外,，勢必還有＂異＂想不到的應(yīng)用躲在暗處，等著有創(chuàng)意的讀者來尋寶,。