高性能 Sub-GHz无线芯片及应用方案

Silicon Labs公司

Sub-GHz无线市场概况

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。

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问答选编

问：对实时性要求非常强的无线控制如何保证它的实时要求和可靠性？

答：应该要提高一次成功的概率。除了采用发射功率和灵敏度高的方案，还要注意数据速率及包长等参数的设置。

问：如何理解EZRadio系列自动选择最佳天线？

答：EZRadioPro有一个选择使用天线分集的寄存器，如果选择此功能并且使用两个天线垂直摆放，EZRadioPro会通过检测RSSI看哪个天线的接收效果好，从而使用该天线来接收。天线的切换是实时的，只要选择此功能，会由EZRadioPro自动处理。

问：距离要求1.5公里的前提下，无线数据可靠传输速率最高达到多少？

答：使用EZRadioPro产品，如果在空旷地带要达到1.5km，数率可达8Kbps（根据不同的应用而不同）。

问：谐振电路的中心频率偏移都可能降低其发射功率，用什么方法能改善其精度？

答：需要精确调整匹配电路，Silicon Labs会提供给客户特定频率的匹配值。

问：多组Si4432的点对点应用，其相互间的频率间隔为多少？

答：频率间隔跟所选的DEVIATION有关，一般大于2倍的DEVIATION就可以。

问：如果无线组网的话，可采用什么协议？

答：如果组网的数量不多的话，可以用Silicon Labs的EZMAC协议。

问：无线气象站实例可实现全自动灌水，那么可以实现灌水量的控制吗？

答：当然，利用微控制器可以实现多种此类应用。

问：无线方案的抗干扰性如何？能否用在重载机上？

答：FSK芯片抗干扰能力非常强。我们有客户用在起重机的控制上，并且通过了FCC、EMI等认证。

问：EZRadioPRO的天线分级算法是硬件实现的么？

答：EZRadioPRO的天线分集算法是完全由硬件实现的。

High Performance Sub-GHz Wireless Chips and SoluTIons

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