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,。短距離裝置產品(Short-Range Devices )更在無線傳感器網絡(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)要達到低功耗" title="低功耗">低功耗設計,，低電壓工作是必要條件,，然而，電路的效能與工作電壓有關,，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之制作技術日新月異,。高速,、低功率組件更是眾所矚目之焦點，目前0.13um RF CMOS工藝的晶體管,，fT 值可達到60 GHz,，這表示CMOS晶體管有足夠的能力來處理高頻信號，所以產業(yè)界的主流幾乎以RF CMOS 技術,，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 標準，RF4CE則是基于Zigbee的遙控器應用規(guī)范) 為例,，介紹超低功率CMOS無線射頻芯片的設計概要,，從電路設計到系統(tǒng)觀點，向讀者說明芯片設計和應用需要考慮的地方,。該芯片設計考慮必須涵蓋,，通訊標準規(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，進入LNA放大信號,，經由Mixer,，F(xiàn)ilter，Limiter,，RSSI,，最后到達數字解調器，最后把接收數據存入RX-FIFO,。另一方面,，TX-FIFO內的數字信息經過VCO與雙點差異積分調變器(two-point delta-sigma modulation) 調變，把調變后的射頻信號透過PA放大,，最后經由天線輻射出去，本文亦會從系統(tǒng)觀點,，提出天線與PCB硬件設計重點,，加上軟件控制，協(xié)助讀者理解如何透過A7153實現(xiàn)低功耗的Zigbee 或 RF4CE射頻網絡,。
Zigbee 調變方式與PA設計的考慮
2.4GHz Zigbee 標準定義250kbps展頻(DSSS)數據傳輸速率,，并采用偏移四相移鍵調變加半正弦脈波整型調變方式(Offset-QPSK with half-sine pulse shaping)，其等效于最小頻移" title="頻移">頻移鍵調變(MSK),。MSK相較于相移鍵調變(PSK)或正交分頻多任務(OFDM),，是一種恒包絡(constant envelope)的調變方式，因此可以選用線性度" title="線性度">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)射器設計考慮
數字調變系統(tǒng)中,，IQ調變是一種常見的架構。該架構將調變的Data分成IQ成分,，經由半正弦脈波整型及數字模擬轉換器(DAC)轉成模擬IQ訊號,。再透過四相混頻器" title="混頻器">混頻器(quadrature mixer)升頻至RF訊號。由于IQ訊號使用數字電路實現(xiàn),，因此有較準確的調變指數(modulation index),，缺點是需要較多的電路。
另一方面,，由于2.4GHz Zigbee調變等效于MSK,，而MSK可視為頻移鍵調變(FSK)的一種，因此可以利用壓控振蕩器(VCO)來實現(xiàn)頻移,。由于不需要混頻器等電路,，因此得以降低電路復雜度及功耗。VCO調變設計有兩種,，其一為開回路(open loop),，其二為閉回路(close loop)。開回路調變直接利用數據控制VCO頻率,，而未使用鎖相回路(PLL)或將PLL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,，進而改變鎖相頻率，其結果的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，通常適用于低數據率的系統(tǒng),。想要利用閉回路架構達到高數據率,，則可采用雙點差異積分調變器(two-point delta-sigma modulation)，即在差異積分調變上加入VCO調變,。數據經由差異積分調變的路徑上有低通(low pass)的效果,，即高頻數據會被濾掉。相對地,，在VCO調變的路徑上有高通(high pass)的效果,。兩者互補的結果，即可完整地調變數據,。
值得注意的是,，VCO的電壓對頻率轉換曲線,，會因半導體工藝而有變異，因此需要額外的校正電路來校正頻移量,。若設計的VCO有較線性的電壓對頻率轉換曲線,，則可大大降低校正電路的復雜度。
RX接收器設計考慮
零中頻(Zero-IF)及低中頻(Low-IF)是易于實現(xiàn)整合型接收器的兩種架構,。零中頻接收器是將RF訊號降頻至基頻(base-band),，然后用模擬數字轉換器(ADC)轉成數字訊號，再用數字訊號處理器(DSP)將數據解調出來,。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,，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訊號降至適當的中頻，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)勢就是簡單的解調器，簡單的解調器也代表了較低功耗設計,。FSK調變可用非同調(non-coherent)解調,。非同調解調器不需解調載波(carrier)、不用模擬數字轉換器(ADC),，也不需ADC之前的線性放大器或自動增益放大器(AGC),，可大幅降低電路復雜度及功耗。但非同調解調的靈敏度較同調解調略差3dB,，所以解調器的選擇需依芯片接收靈敏度設計目標來取舍。
2.4GHz IEEE 802.15.4 無線收發(fā)器實例
從上述綜合考慮,，以笙科電子的A7153為例,。A7153提供了 250kbps 的展頻數據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,，提供雙點差異積分調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設計成增益可調,，用來提升整體接收器線性度表現(xiàn)，*斷混頻器設計好壞的指標為IIP3,，IIP3數值越大,，代表著第三階交互調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,，在射頻電路設計中，增益與線性度經常要互做取舍,。天線接口部分,，A7153內建的PA及LNA的腳位型態(tài)(pin configuration)上，采用單端(single-ended)輸出入合并設計,，因此可省去外部昂貴的平衡非平衡適配器(balun),。為達更長的傳輸距離，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計，低電流驅動架構,，達成低消耗功率的目標,。
另外，A7153整合了晶體振蕩器(crystal oscillator)的負載電容及PLL濾波組件,，大幅減少了外部被動組件,。基頻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內建的AES-128 硬件加速器，提供軟件工程師很容易實現(xiàn)符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全標準之CCM*模塊,。支持載波感測多重存取 / 碰撞避免機制（CSMA/CA,，Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance)溝通方式，含自動應答(Auto ACK)功能,，信道能量偵測(ED)及連結質量指示(LQI) ,，大幅降低MCU的負擔及功耗。
Zigbee硬件應用層次
設計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設計最基本的是把電源處理,、地面完整性，RF走線,、敏感電路和數字信號一一分區(qū)處理,。因此，零組件布局是RF設計的關鍵,，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,，因為這將形成互感,，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設計中，盡可能將數字電路遠離仿真電路是不變的原則,，它同樣也適用于RF PCB設計,。當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,，亦應避免形成過多的游離地,，因為它們會像一個小天線，提供干擾源侵入的路徑,。在大多數情況下,，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型天線拓撲結構,，支持全向輻射場形。要把天線的性能發(fā)揮到極致,，從應用的角度來講,，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模塊和產品外殼的整個設計也會影響天線的性能,。粗劣的設計會影響天線場形，使發(fā)送信號出現(xiàn)反射,、折射,、散射，結果造成傳輸距離的大幅縮短,。以下的一些設計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置接地面或布銅線,，天線要盡可能遠離金屬物體,，PA路徑下方，盡可能保有一塊完整的地面,。
圖二 Zigbee 收發(fā)器芯片方塊圖
Zigbee軟件應用層次
Zigbee 設備最常采用的省電方法是使傳感器進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為了進一步降低平均功耗,，內建了無線喚醒機制,，MCU先啟動A7153的無線喚醒機制，然后進入睡眠模式,。此時,，除了低功耗無線喚醒定時器仍在運作外，其余電路均自動進入睡眠模式,。待定時器數到預定時間時,，A7153會自動進入接收狀態(tài)，去偵測有無射頻封包,。若有,，則收下封包并喚醒MCU，待微控器下達進一步指令,。若在某預定時間內未偵測到封包,，則A7153又會自動進入睡眠模式并重新開始計時，形成周而復始的工作周期(Duty Cycle),，直到收到封包,。
由上述可知，工作周期(Duty Cycle)的長短直接影響數據傳輸效率以及能源的消耗,，長工作周期可以增進數據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，即可達到換頻,。MCU亦可利用A7153接收端訊號強度指示（RSSI）,，得知當下網絡上訊號強度，計算出貼近網絡質量狀況的真正表現(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志的可選超幀（superframe）結構，高優(yōu)先級通信的 GTS (Guaranteed-Time-Slot)機制,，保障無延時或競爭的通信,，支持高達 65,000 個節(jié)點，不同型態(tài)的網絡拓撲 (星形,、叢集或網狀),。極低的工作周期（duty cycle）可以讓使用鈕扣電池的節(jié)點持續(xù)運行數年。
當軟件工程師啟動AES128加密功能時，A7153僅在發(fā)射或接收數據封包時才執(zhí)行,。因此,，平均功率仍然很低。
RF4CE 射頻遙控器--全球新標準
ZigBee 聯(lián)盟主席 Bob Heile 表示：＂RF4CE 為電子產品制造商提供了一種全球性標準,，從而簡化對各種消費電子設備的操控,，并改善用戶體驗。今后,，消費者將享有更大的便利，更加靈活地使用消費電子設備,。＂笙科電子一直很關注RF4CE的市場需求,，基于A7153高性價比(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.能夠對擺放在幾乎任何位置的設備進行操控，特別是隱密的地方
5.新的交互式功能,，增強的用戶接口和先進的顯示功能
結論
笙科電子的A7153,，定位上就是鎖定RF4CE相對單純的點對點架構，該芯片內建簡單好用的硬件功能,，低功耗的芯片架構,，提供軟件工程師設計出長電池壽命的RF4CE遙控器。RF4CE標準的背后有國際一線消費性電子大廠力挺,，因此,，RF4CE被預估為Zigbee 殺手級的應用，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，即可設計出成本最佳化的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＂想不到的應用躲在暗處，等著有創(chuàng)意的讀者來尋寶,。