短距離無線消費電子的RF前端設計

隨著系統成本和功耗進一步降低以及產品性能的提高，無線短距離消費電子市場正高速增長。本文將向設計工程師介紹一些市場上出現的新趨勢和方案，并介紹RFW102芯片組的特點和應用。

短距離無線應用是指可在最遠100米范圍內傳輸數據的解決方案。無線短距離應用主要有以下幾種：

無線局域網(WLAN) 可替代有線LAN連接的高速傳輸方案(11~56Mbps)。WLAN方案在辦公室應用場合很普遍，而且在小型辦公室/家庭辦公(SOHO)和私人住宅等應用場合也越來越流行。其室內有效距離通常是100米。

個人區域網絡(PAN) 適用于10米范圍內的中等傳輸率應用環境(有些PAN有時需要更遠的距離)。該方案主要針對開放環境應用和產品(藍牙)。

無線短距離消費類產品 中低速數據傳輸應用，有效范圍在30米內，該類產品可能跟一些PAN應用有重疊。該類方案一般針對封閉應用環境和產品，目前這類產品存在很多解決方案。

射頻前端技術趨勢

由于消費類產品對無線通信功能的需求不斷增長，針對這些需求目前存在各種技術方案，而各種技術方案的優越性可用下面五個關鍵指標來衡量：

成本：成本越低，應用越廣，市場潛力也就越大。可以這么說，當成本每降低10%，市場潛力將會擴大100%。

傳輸范圍：短距離無線方案的適用范圍一般在室內30米以內。

電源效率：無線設備在許多情況下是由電池供電的，因此電池使用壽命是一個關鍵指標。這一問題將會間接地反映在成本上，因為功耗大，消費者就必須更頻繁地更換電池。即使使用可充電電池，消費者也需要更強勁的電池，以便每次充電后的使用時間盡可能長。

服務質量(QoS)：滿足數據傳輸率要求條件下提供可靠的數據鏈接。

高數據傳輸率：該參數可為無線消費產品市場開辟新的應用領域。過去由于成本問題而無法實現的應用，現在也可通過恰當的設計來實現。

一個無線方案一般由RF前端和媒體訪問層(MAC)兩部分組成。RF前端主要由以下幾個性能指標來衡量：

鏈接預算：鏈接預算[dB] = 輸出功率[dBm] - 靈敏度[dBm]。輸出功率是指發射時從發射器輸出的功率，靈敏度是指接收器的靈敏度。10米室內距離要求至少70dB的鏈接預算，當前的許多產品都滿足這一要求。輸出功率一般為0~10dBm，靈敏度為-80~-90dBm。

工作頻率：消費類產品不能承受頻率占用的費用，最好工作在無需申請許可的ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段，供應商所使用的其它頻段還有900-928MHz (只適用于美洲大陸)和868-870MHz (歐洲的大部分地區)。

調制方案：目前的許多產品采用幅移鍵控(ASK)或頻移鍵控(FSK)。

擴頻方案：頻譜擴展可為工作于ISM頻段的無線應用實現穩定性和安全性。常用的兩種擴頻方案是跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS)，這兩種完全不同的擴頻方案都具有同樣的穩定性。

接收器/發射器/收發器：單工鏈接是指每一邊(節點)在某一時刻要么發射(發射器)，要么接收(接收器)，但不能同時發射和接收；而雙工鏈接則意味著每一節點都可同時發射和接收(收發器)。

消費類產品的RF前端

無線短距離消費市場是一個龐大的市場，有著各種各樣的產品(見表2)。但從消費者的角度來看，現今的產品還無法以合理的價格提供令人滿意的解決方案。

無線產品廠商在選擇技術方案時，一般更注意成本問題，甚至認為成本比質量更重要。但是消費者并不能接受這種思想，他們希望無線產品至少能跟低價位有線產品一樣好。因此，無論一個無線方案多么好，只要不能實現合理的價格，它就無法應用于消費類產品；同樣，如果所用的無線方案不能提供跟有線方案同樣好的數據鏈接性能，消費者也不會滿意。表 1給出了改善以上討論的5個基本參數的技術要求。

因此，一個重要的問題是找到一個超低價格的無線方案，并具有高性能。由于所有的無線方案都面臨前面所講的問題，下面將以RFWaves公司的無線方案為例來討論。

RFW102收發器芯片組實現方案

圖 1描述了一種采用RFWaves公司RFW102收發器芯片組的典型應用。該方案包括兩個主要部分：RF前端和數字后端。

RF前端

RF前端采用RFW102收發器芯片組，包括RFW24、RFW488C和RFW488R三個芯片。

RFW24--完成所有的時序、放大、切換、發送和接收功能。

RFW488C--在石英基底上實現的4引腳SAW相關器(correlator)。該芯片是一個完全非差分無源器件，是DSSS擴頻和去擴頻的基本單元。他可作為橫向13位BPSK Barker碼相關器(匹配濾波器)。

RFW488R--單端口SAW諧振器，諧振頻率為488MHz，可作為系統的CW振蕩源。

除RFW102芯片組外，僅需幾個無源器件就可實現一個完整的方案，如圖 2所示。

RFWaves調制解調器具有以下特性：

工作頻率：2.4GHz，全球免許可申請頻段，采用DSSS技術。

低接收功耗：1kbps@40μA;10kbps@380μA;100kbps@3.8mA;1Mbps@38mA；

低發送功耗：1kbps@25μA;10kbps@220μA;100kbps@2.2mA;1Mbps@21mA。

待機電流：2.6μA；喚醒時間：20μS；同步時間：1μS。RFWaves收發器僅需一個比特實現同步(實現同步時間為1.2μS)；

輸出功率：+2dBm；靈敏度：-80dBm。

數據傳輸速率：最高1Mbps。

RF前端帶有一個簡單的三線數字接口，具有如下基本功能：

Tx/Rx--確定工作模式；

TxD/RxD--可發送和接收數字信號的雙向線；

ACT--實現待機模式，節省電能。

數字后端

RF前端接口數據線是一種異步串行位管線。由于數據采用射頻鏈接，因此必須提供檢錯/糾錯方案。為了使用低端MCU以降低總成本，MCU必須支持MAC/協議功能。因此，在RF前端和MCU之間存在一個硬件實現的接口。

如前所述，系統采用一個運行MAC/協議和應用程序的低端MCU。該MCU可視應用要求的不同而配置各種特殊接口，如USB、SPI和I/O等。由于只使用了一個MCU顯然可降低成本，并降低系統功耗。除由RFWaves合作伙伴提供的數字后端外，開發者還可獲得協議文件及源代碼參考設計。

RFWaves整體方案

消費產品開發商都希望采用易于集成的設計單元，簡化設計和降低風險，并采用盡可能多的現成單元。而RF前端一般都很復雜，需要豐富的通信知識及設計技巧。基于上述的事實，設計工程師迫切需要一個易于集成的方案，該方案將RF和通信電路作為“黑匣子”來處理，有了這個黑匣子，設計者只需了解它如何與應用系統連接即可。RFWaves的整體方案中考慮了這些設計需求和QoS問題，前端采用13位barker DSSS方案、雙工鏈接、錯誤檢測方案，以及根據應用不同的協議變換。

超低功耗：接收和發送時的低功耗、極低待機電流、極短喚醒時間和快速獲取時間，以及可利用系統空閑時間進入待機模式的協議。

數據傳輸率：目前RF鏈接的總帶寬為1Mbps。

距離：鏈接預算超過80dB，有效室內距離可達25m，在RF前端增加一個功率放大器可將有效范圍擴展到100米。

總系統成本低：RFWaves方案的總系統成本與低端方案相當。為進一步降低成本，RFWaves還為PCB上的天線布局提供了參考設計。

應用設計實例

下面將以采用RFWaves RF前端的無線游戲鍵盤/操作手柄的設計為例講述設計要求和步驟。

游戲鍵盤是附加到游戲平臺(PS2、Xbox或Gamecube)或PC上的一種游戲控制外設，最近幾年無線游戲控制鍵盤和操作手柄時常非常火暴。

基本要求

低成本--每個消費產品都有此要求；

低延遲--極快的響應時間，因為它將用于高速游戲；

傳輸率--相對較高的數據傳輸率；

多設備共存--最高16個設備可在同一區域同時工作；

一個游戲平臺可支持4個控制鍵盤；

雙工鏈接--返回游戲平臺發出的反饋信號；

QoS--在該實例中尤其重要，如果產生游戲平臺不能接受的任何操作都會影響游戲者的娛樂感受。

設計步驟

1. 選擇由RFWaves合作伙伴之一提供的合適數字后端(I/O端口、RAM和ROM等)。根據不同的應用選擇一個不同的數字后端。

2.了解游控制鍵盤和游戲平臺之間的數據傳輸方法。

3.了解數據傳輸方法后，采用由RFWaves提供的正確協議作為參考。

4. 在MCU上實施MAC/協議和應用軟件。

5. 調試

6. 建立原型樣機。

本文總結：

無線消費應用是一個巨大的市場，而且每年都以飛快的速度增長。但是，很多開發商在這方面遭遇過失敗，并且缺乏應用經驗。此外，與有線產品相比，在價格和性能上現在的很多無線方案還存在不足。隨著更多的低成本、高性能短距離無線傳輸方案的推出，相信將會有更多、更好的無線消費產品可供選擇，無線消費產品市場也將不斷擴大。