基于Sub-GHz技術的物聯網產品設計

　　引言

　　物聯網的飛速發展離不開無線通信技術的進步，常見的無線通信技術包括藍牙、Zibgee、Wifi等，而Sub-GHz技術由于其長距離傳輸的特性和良好的穿透能力，在物聯網應用中也具有非常重要的地位。

　　Sub-GHz指通信頻率在1Gz以下，數據傳輸率在幾Kbps到幾百Kbps范圍內的無線通信技術。由于其通訊波長較長，可以達到幾百米甚至幾公里的通訊距離，在工業農業監控、安防和智能抄表領域有著非常廣泛的應用。Sub-GHz對于電路設計有較高的要求，不良的設計會對無線通信質量造成很大的影響，本文將基于ROHM旗下LAPIS半導體最新的Sub-GHz無線通信芯片，淺談其設計和測試相關注意事項。

　　1設計

　　好的設計是成功的一半，主要包括電路設計和PCB設計。

　　2電路設計

　　建議電路布局與參考電路保持一致。天線的設計也要基于原廠的推薦電路(Pattern Antenna)或天線廠商(Chip Antenna)。大部分天線配置為λ/4天線，保持GND區域的方向和尺寸。主時鐘晶振盡量選擇高規格的，否則會影響接收靈敏度。RF電路使用的電感和電容應該有好的溫度特性，尤其是電感應該用繞線式而不是層疊式，不然會造成信號損耗。

　　2.1 PCB設計

　　GND非常重要，需要增強。如果GND弱，會對發射端的雜波散射、相鄰信道功率(ACP)以及接收端的靈敏度、雜波響應、RSSI檢測電平造成影響。芯片底部的GND使用過孔增強，且過孔的數量應該大于12(如圖1)。 GND走線應盡量寬，對于兩層板，底層應該幾乎全部鋪地。VCO和環路濾波器電路的走線要盡量短，因為這些電路極易被干擾，最好四周用GND信號包圍。任何信號不要在RF電路下走線，給內部PA供電的電源線要用其它信號隔離。

　　圖1 芯片底部GND使用過孔增強

　　RF線阻抗應為50ohm，使用類似AppCAD軟件計算50ohm線。設定好基板材料(介電常數)、層厚、線寬和頻率，軟件可自動計算出阻抗。

　　3校準

　　如果設計出來的產品沒有達到要求的性能，則需要進行校準。在評估前，通常需要校準VCO振蕩頻率和主時鐘精度。如果有網絡分析儀，可使用史密斯圖做RF匹配，天線的阻抗也需要測量。另外為了滿足無線規范，雜波電平也需要調整。

　　3.1 VCO校準

　　VCO(壓控振蕩器)定義了振蕩頻率范圍，如果VCO未準確校準將不能正常通信。

　　VCO振蕩頻率計算公式為：

　　F = 1/(2π(LC)1/2)

　　振蕩頻率由外部的電感、電容(包括PCB寄生電容和芯片內部可變電容)定義。VCO校準需要從可變電容中選擇最優的電容值，來對應特定的振蕩頻率。如果振蕩頻率范圍超出了使用頻率，則意味著PPL未鎖定，需要調整外部的電感或電容。

　　通常芯片都內置了VCO校準寄存器，在初始化時，可以通過讀取寄存器值進行校準。

　　3.2 OSC校準

　　OSC頻率規定了載波頻率的容限值，校準的目標是頻率誤差盡可能為0ppm。載波頻率容限需要在使用的頻道帶寬范圍內，如果載波頻率超出了頻道帶寬，則芯片的自動頻率校正(AFC)不能正常工作。

　　通過內部寄存器調整OSC負載電容的容值可以對振蕩頻率精度進行校準。需要注意的是，如果使用寬的OSC容限值，需要選擇更寬的信道帶寬，但會降低接收靈敏度。

　　3.3 RF匹配

　　RF匹配是為了最有效的傳輸射頻信號。RF匹配電路通過調整天線和RF芯片的阻抗來抑制信號反射。

　　通常使用Smith圖調整RF匹配電路。RF電路由電感L和電容C構成，使用“并聯”和“串聯”連接電路，有四種匹配方式：并聯電感、串聯電感、并聯電容、串聯電容。

　　圖2 Smith圖

　　如果使用網絡分析儀，可簡單快速的進行阻抗匹配。當然，芯片廠商也提供了一些校準經驗，通過調整電路的器件參數進行阻抗匹配。

　　3.4雜散波校準

　　為了滿足EMC/EMI要求，需要設計濾波電路對雜波(諧波)進行抑制。通常使用LC串聯的陷波器電路抑制一次諧波，使用低通濾波器(LPF)來抑制二次及以上諧波。

　　4測試

　　嚴格的測試對于好的產品設計也是不可或缺的，除了基本通信功能的測試，還包括載波頻率、發射功率、接收靈敏度、消耗電流等性能測試。

　　4.1載波頻率/發射功率/諧波/發射電流

　　使用頻譜分析儀可測試載波頻率、發射功率和諧波。載波頻率應該在芯片允許的ppm值范圍內，且頻偏應小于最小頻道濾波帶寬。發射功率應該與設定值相當，如果偏差過大，應檢查寄存器設置或調整外圍電路參數。諧波散射值應小于標準值，且該值越小越好。

　　發射電流一般在最大發射功率時測得，其受發射端匹配影響，如果值偏大多數由測量方法引起，如天線端開路等。

　　4.2接收靈敏度/接收電流

　　接收靈敏度通常是指在特定數據波特率下，滿足1%的誤碼率，產品所能接收到的最低強度的信號。

　　精確的接收靈敏度測量可使用信號發生器，現在高端的信號發生器都集成了誤碼率測試功能，設定好對應的參數就可以自動測量接收靈敏度。簡單的方法也可以通過示波器觀察接收端的數據，但考慮到信號干擾，獲得的值一般要比實際差一些。有些芯片內置了BER測試功能，通過讀取內置寄存器也可以進行測量。

　　接收電流的測量比較簡單，將接收一直打開，測量電源上的消耗電流即可。需注意的是，如果使用DIO輸出，電流會因為GPIO的負載而增加。

　　5 結語

　　通常芯片原廠提供的評估板都經過了嚴格的驗證和測試，可以最優的體現芯片的功能和性能。在實際的產品設計中，建議盡量參考原廠的設計，包括外圍元器件的參數選擇。另外，原廠一般也會提供配套的上位機軟件，可以很方便的進行產品的功能和性能測試。合理的利用現有資源，可以減少設計流程，提高產品的可靠性，降低量產成本。

　　作者：劉翔 ROHM半導體(上海)有限公司&設計中心LAPIS組助理經理