专用芯片技术中的高性能Sub-GHz无线芯片及应用方案 专用芯片技术中的高性能 无线芯片及应用方案 当今世界，无线产品早已无处不在。在我们周围分布着大量的无线产品和应用系统，如气象站、汽车无钥匙进 入系统（RKE）、喷灌系统、照明系统、智能家居、自动抄表等等。 　　在无线应用领域，1GHz以下（Sub- GHz）频段的无线市场拥有巨大且日益增长的商业机会。以汽车、消费电子市场为例：仅汽车的无钥匙进入系 统，每年就有1.5亿套产品市场；而消费类电子产品的市场容量每年都有上亿套。此外，近年来兴起的家庭自动 化和自动抄表应用也有很高的市场需求。巨大的商机使得无线市场非常具有吸引力。 　　无线产品之所以具有 广泛的应用，很重要的一点就是现代无线器件降低了产品设计的门槛。现代无线器件的集成度越来越高，多功 能 　　当今世界，无线产品早已无处不在。在我们周围分布着大量的无线产品和应用系统，如气象站、汽车无钥匙进入系统 （RKE）、喷灌系统、照明系统、智能家居、自动抄表等等。 　　在无线应用领域，1GHz以下（Sub-GHz）频段的无线市场拥有巨大且日益增长的商业机会。以汽车、消费电子市场为 例：仅汽车的无钥匙进入系统，每年就有1.5亿套产品市场；而消费类电子产品的市场容量每年都有上亿套。此外，近年来兴 起的家庭自动化和自动抄表应用也有很高的市场需求。巨大的商机使得无线市场非常具有吸引力。 　　无线产品之所以具有广泛的应用，很重要的一点就是现代无线器件降低了产品设计的门槛。现代无线器件的集成度越来越 高，多功能部件如调制解调、天线调谐、自动频率控制等，都能集成在一个无线芯片内，使无线功能可以很容易地加入到最终 产品中。设计门槛的降低还包括RF数据链路的成本下降，适合于MCU的轻量级加密算法的广泛应用。设计门槛的降低使越来 越多的工程师能进入无线领域，也使越来越多的产品能加入无线功能，从而催生了更多的无线应用，例如游戏控制器、传感 器、数据记录仪等。在现有的无线应用中，大规模的应用属于单向链路应用，即一方只发射，另一方只接收，像汽车的无钥匙 进入系统、遥控器和传感器就是这一类应用。但双向链路应用也呈增长趋势，一方面很多应用需要通信确认，另一方面双向链 路可以降低功耗，因为接收设备可以根据接收信号强度通知发送设备降低发射功率。另外，双向链路还可以提高抗噪声能力。 　　EZRadioPRO系列无线芯片 　　Silicon Labs公司目前有三个系列的无线芯片，即EZRadioPRO、EZRadio和EZRadioLC.其中，EZRadioPRO系列芯片性 能出众，它具有高灵敏度 （-118dBm），最大输出输出功率可以达到+20dBm,因此具有业界领先的链路预算 （138dBm）。 无线功能的高度集成大大减少了外部元件数，也降低了工作电流；丰富的片上功能，降低了系统的复杂性和成本。芯片内建天 线多集算法、包处理器、唤醒定时器、电池电压检测等功能，使无线功能的设计和实现变得非常简单。它适合于更远的通信距 离（大于3km），具有很好的链路性能，提高了数据可靠性，大大简化了系统设计。 　　图1是EZRadioPRO系列中的收发器芯片Si4432的原理框图。可以看到，该芯片接收部分集成了低噪声放大器、可编程增 益放大器、自动增益控制电路，而可编程增益放大器的输出信号被内部ADC转化为数字信号，后续的信号处理均采用数字信 号处理 技术实现，保证了芯片工作的可靠性。要发送的数据 经过数字调制器调制后，由内建的功率放大器发射出去，Si4432实现了数字调制解调器的功能，芯片内部还集成了电池电压 检测器、温度传感器以及一个可供用户使用的8位ADC. 　　 　　图1 Si4432原理框图 　　天线分集-改善链路性能 　　EZRadioPRO集成的天线分集算法可以改善无线链路的性能。通过使用两个天线和天线分集算法，EZRadioPRO可以选 择最佳的天线接收数据，从而获得更优的性能。天线分集算法在分析前端码时，比较两个天线的接收强度，自动选择最佳的天 线。EZRadioPRO的天线分集有以下好处：1、抑制多径衰落和天线极化效应，以改善链路质量；2、通过消除盲区来增加通 信范围和距离；3、因为天线分计算法是由无线芯片来实现的，所以无MCU开销；4、节省功耗，因为相同的通信范围可以使 用较低的功率。对于一个典型系统，天线分计算法可增加+8dB~10dB的链路预算。图2中示出了使用天线分集算法的典型系 统。 

　　 　　图2 使用天线分集算法的典型系统 　　使用天线分集算法可以降低功率需求。从图3中可以看出，天线分集功能被使能时，与使用单天线的接收器相比，发射功 率可以降低9.4dBm.图中粉色曲线为单天线接收器误报率与发射功率的关系，蓝色曲线为多极天线误报率与发射功率的关系。 在这两种情况下，误报率都是随着发射功率的增加而降低的。但是在相同的发射功率下，使用多极天线的接收器的误报率要比 单天线的接收器的误报率要低得多。 　　 　　图3 使用多极天线接收器与使用单天线的接收器的对比 　　之所以要使用天线分集算法或多极天线，是因为环境因素能够影响通信范围和链路可靠性。主要包括三种情况：多径衰落 效应、天线极化效应、无线RF发射器或接收器移动。使用天线分集算法，就是提高天线位于一个强信号中的可能性。图4中演 示了多径衰弱效应，假设接收器不动、发射器移动，上图表示接收器在左侧的天线可以接收到较强的信号，而右边的天线接收 不到强信号。下图表示发射器发生移动，此时接收器的左侧天线接收不到强信号，而右侧天线则可以接收到强信号。很显然， 使用多极天线或天线分集算法，保证有一个天线可以接收到较强的信号，从而确保了链路的可靠性。 　　 　　图4 多径衰落效应 　　天线分集算法是如何抑制天线极化和方向性效应的呢？图5中，左图中黄绿部分表示使用一个天线时的通信覆盖范围，右 图中的黄绿色区域表示天线与左图中的天线方向成90度放置时的通信覆盖范围。可以看到，使用一个天线时，不管天线放置 的方向如何，都有很大的未覆盖范围。而从图6可以看出，使用两个天线和天线分集算法时，通信覆盖范围大为增加，黄绿色 和绿色区域都是通信覆盖范围，实际上是两个成90度放置的天线的通信覆盖范围的叠加。通过这图5和图6的对照，我们可以 看出，使用天线分集算法可以减弱方向极化和方向性效应的影响，扩展通信范围。 

　　 　　图5 使用一个天线时的通信覆盖 　　 　　图6 使用两个天线和天线分集算法时的通信覆盖范围 　　应用案例 　　无线气象站 　　步骤1:位于屋顶的传感器指示天气、湿度、风向等。 　　步骤2:位于屋内的显示器或网关从屋顶传感器接收数据并显示信息，进而决定是否使用远程的喷灌器浇灌草坪。 　　 　　步骤3:花园喷灌器接收喷灌指令，完成喷灌任务。当喷灌器打开或关闭时，可向网关反馈相关信息。 　　 　　紧急救助按钮 　　 

　　步骤1:紧急救助按钮可以做成挂式或手表的形式。当老人或病患需要救助时，可以按此按钮呼救。 　　步骤2:紧急按钮连接到网关系统。网关通过调制解调器连接到呼叫中心， 呼叫中心收到信息后派急救车到呼救地点施 救。