探究超低功率短距离无线电收发器

概述

最近几年，无线传感器网络（wireless sensor networks，WSN）市场和超低功率（ultra-low power，ULP）无线电市场实现巨大增长。此类无线电应用从大量基于占空比的点测传输扩展到更多数据密集连续链接，同时采用更小电池和可替代能源，比如能量采集（energy harvesting，EH）设备来供电。WSN应用包括短程机器对机器（machine-to-machine，M2M）、人体周围的医疗传感器和大量针对新兴市场感测和自动化的其它应用。

人体周围的无线传感器可以分为两类网络：无线个域网（WPAN）和无线体域网（wireless body area network，WBAN）。WPAN的网络空间围绕在个人周围，覆盖附近的生活或工作空间，通常可达10米范围，这包括蓝牙和ZigBee等协议。WBAN的无线空间更小，围绕着个人，通常可达到1米范围，用于与人体相关的传感器之间的通信。虽然WPAN和WBAN的网络空间是有差异的，但许多应用也重叠了两者。

无线电技术和低功率传感器的发展打开了新的WSN竞技场。对于超低功率WSN，另一个重要的组成部分就是有效的能量存储和管理。微功率电池，如薄膜电池，近年来在技术上随同微功率管理解决方案已经得到了极大的发展。ULP技术进展已经取代了对于AA或AAA电池的需求，达到更小的电池容量和尺寸。因此，已经实现了具有长电池寿命的小型、灵活的智能无线传感器。

采用新一类无线传感器的最新的WSN技术，它们由采集能源来供电，因而无需更换电池。它们用于感测和监测难以触碰的环境和应用，这些环境和应用地点可以采集能量。无线传感器在采集的能源下工作，具有一系列比常规无线传感器更严格的要求：除了一般的低功耗外，还有低峰值功率、超低待机电流和其它需求。这是相当新的WSN领域，具有广泛的应用，包括医疗、M2M、军事和其它研究领域。

短距离无线电收发器的技术和设计考虑因素在此类低功率无线传感器的效率方面发挥着重要的作用，适应上述应用要求的收发器要求可以按照图1来分类。

图1 超低功率无线电收发器要求美高森美CMPG Reghu Rajan

关键因素

在无线传感器的设计和应用中，收发器的电源要求是一个关键因素。因为大多数ULP传感器在微小型电池和能量采集源下运行，非常需要低于2V的工作电压。根据电池化学特性，大多数传感器使用单一电池。在低至1.1V电压下工作的无线电收发器，为传感器设计提供了额外的灵活性并减少了功率管理限制。在比较不同的解决方案时，供电电压、功率放大器能耗（在可比范围）和链接数据速率常常被忽略。然而，所有这三种都具有实质影响。

在2.5V电压下工作的无线电装置的功耗是相同电流消耗但工作在1.25V电压下的无线电装置的两倍。仅当需要输出功率超出5dBm时才要求在较高的电压下工作。对于短程应用，情况不是这样的，因为输出功率很少超过0dBm。在系统级上，低供电电压是降低功耗的一个简单方法，但是需要一个设计用于低电压运行的无线电频率（RF）集成电路。

峰值电流是收发器的另一个关键参数。几乎所有基于无线电的传感器网络依靠占空比来省电并限制无线电信道空间的使用。这产生了传感器的电流消耗曲线峰值。具有高峰值电流的无线电带来了对电源管理的限制并使得满足电源抑制要求更困难。

对于运行在采集能源下的无线电传感器来说，该限制是更重要的。通常能量采集转换器比电池具有更高的输出阻抗。在转换器和传感器之间的微功率管理层改变了供电特性，包括源阻抗。因此，在无线电收发器中的低峰值电流消耗减少了对无线传感器的电源限制。

对于无线电发射器，PA的功耗会是非常大的。对于一个25米的自由空间范围，许多802.15.4或蓝牙无线电消耗了25mW~40mW，其中超过95%被浪费了。图2显示比特能耗与某些针对25米自由空间范围的可用解决方案的比较。对于电池或能量采集供电系统，最优组合接近于左下角。

从发射器PA的角度来说，主要参数来自于接收器。对于给定的范围，其灵敏度规定了必须发射多大的功率。大多数无线电的灵敏度范围在在–85dBm到–95dBm之间，导致了10倍的PA功耗。影响功耗的三种主要因素是接收器灵敏度、载波频率和输出阻抗。它们是相加的，对于相同的范围，叠加在一起可出现超过两个数量级的PA功耗变化。

图3比较了常用无线电收发器的供电电压、发射（TX）和接收（RX）功耗。其它IC级规范，如泄漏电流和唤醒时间，也会影响功耗。然而，对于极低的有效载荷数据速率，它们是关键的，它们的重要性可减少超过10bit/s的速率。

影响PA功耗的另一个重要参数就是输出阻抗。大多数无线电的输出阻抗低于100Ω。低阻抗仅仅是高输出功率（长距离）所需要的，但相比较高的输出阻抗选项，它会导致高达五倍的电流消耗，而高输出阻抗更适合于短距离无线互连应用。总之，假设收发器灵敏度和PA效率相似，高阻抗900MHz无线电在它的PA中仅使用1mW，即可达到与使用25mW至40mW的50Ω 2.4GHz无线电相同的距离。

载波频率的选择是收发器的一个重要参数。在工业、科学和医疗（ISM）无线电频带中两个可用选项为2.4GHz或sub-GHz频率。对于此选择，要考虑的某些因素为：范围、功耗、数据速率、天线尺寸、互用性（标准）和全球部署。

Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee技术已大量推广今天市场上广泛使用的2.4GHz协议。然而，对于低功率和较低数据速率应用，比如无线传感器、无线医疗监测、住宅安保/自动化和智能测量，sub-GHz无线系统提供了几个优势，包括了在给定功率下的更长距离、更低的功耗和较低的配置和运行成本。Sub-GHz载波频率具有超过2.4GHz频率的某些优势：

•距离和信号质量。当无线电波通过墙体和其它障碍物时，信号会减弱。在更高频率上衰减率会增加，因此2.4GHz信号的减弱速度比sub-GHz信号更快。2.4GHz无线电波还比sub-GHz电波消失地更快，因为致密表面会反射它们。在高度拥挤的环境中，2.4GHz传播会快速减弱，从而负面影响信号质量。

•根据频率特性，生物组织会吸收RF的能量。低频可以轻易穿透身体而不会被吸收，这意味着相比2.4GHz，sub-GHz链接具有更好的RF链接或消耗较少的功率。

•即使无线电波以直线传输，当它们碰到固体边缘（比如建筑物角落）时，它们也会转向。因为频率减少，衍射角度会增加，允许sub-GHz信号在障碍物周围进一步转向，减少了阻塞效应。

Friis方程式证明了sub-GHz无线电的优秀传播特性，显示出2.4GHz的路径损耗比在900MHz的时候高8.5dB。对于900MHz无线电来说，这可转化为延长2.67倍的距离，因为功率每增加6dB，传输范围约增加一倍。如果要匹配900MHz无线电的范围，2.4GHz解决方案将需要大于8.5dB的额外功率。

对于相同的链接配置，除了需要较高功率外，2.4GHz频带出现干扰的机会更大。空中挤满了冲撞的2.4GHz信号，它们来自不同源，比如家庭和办公室Wi-Fi集线器、启用蓝牙的计算机和手机外设以及微波炉。2.4GHz信号的拥堵产生了许多干扰。Sub-GHz ISM频带大多数用于专用的低占空比链接，不太可能相互干扰。更安静的频谱意味着更容易的传输，较少的重试，更高的效率并节省电池功率。

功率效率和系统范围是接收器灵敏度加上传输频率的函数。灵敏度与通道带宽成反比，因而较窄的带宽可以产生更高的接收器灵敏度并允许在较低的传输速率上有效运行。

例如，在300MHz上，假如发射器和接收器的晶体误差（XTAL偏差）均为10ppm（百万分之一），每个的误差都为3kHz。对于有效传送和接收应用，最小通道带宽为误差率的两倍，或6kHz，这是窄带应用的理想选择。在2.4GHz上，相同情况需要48kHz的最小通道带宽，浪费了用于窄带应用的带宽并需要大幅增加工作功率。

总之，运行在较高频率下的所有无线电电路，包括低噪声放大器、功率放大器、混合器和合成器，需要更多的电流来达到与低频装置相同的性能。

距离、低干扰和低功耗是sub-GHz应用超越2.4GHz应用的基本优势。经常讲述的缺点之一就是天线尺寸比在2.4GHz网络中使用的要大。对于433MHz应用，最佳的天线尺寸，例如，会高达七英寸。然而，天线尺寸和频率是成反比的。假如节点尺寸是一个重要设计要素，开发人员可以提高频率（高达950MHz），以便采用更小的天线。

无线传感器的总体功耗不仅是物理层项的函数，比如无线电架构、载波频率和天线选择，而且也是无线电需要运行的时间量的函数，以便通过空气传送有效载荷数据。这取决于建立和保持通信链接的数据速率要求和协议开销。

数据速率是最重要的因素之一，规定了基于占空比的无线链接的功耗。平均功率几乎与链接数据速率成反比。对于相同的有效载荷，100kbps无线电几乎消耗50kbps无线电的一半功率。对于给定的有效载荷，较高的数据速率可视为改进能源效率的方法。在比较RF收发器时，比特能耗是一个比电流消耗更好的指标。但高数据速率无线电通常带有较高的峰值电流。这些是非常不受欢迎的，对于大多数小型电池或能量采集器来说，因为它们产生了大的泄漏存储电容，一般为数百µF。

在网络层上，协议对平均功率预算有着重大影响。今天的标准，比如802.15.4（ZigBee）或Bluetooth，提供了高度复杂的链接和网络层。但这些堆栈总共产生了50%~75%的无线电功耗和较大的开销。对于超低功率系统，“一体通用”的标准化选项通常不是最佳解决方案。相反，超低功率应用应该考虑使用优化的协议来满足它们的需求。

网络的延时要求也具有重大影响。用于监听或探测的时间节点数量是延迟的函数。低延迟意味着可连续或频繁地进行探测。在高负荷系统中，由于探测，接收器功率是功率预算的最大部分。例如，在802.15.4网状网络中，大约9%的系统功率用于接收。在更高载荷系统中，探测消耗的能耗可能不是主要的，但接收功率仍将超过RF预算的50%。对于实现超低功率RF遥测，最低的接收器功耗常常是必要的。

图2 比特能耗与峰值功率的比较

图3 某些可用的无线电收发器解决方案的工作电压、TX和RX功率

图4 使用ZL70251收发器的无线传感器的平均功率和有效载荷数据速率的比较

美高森美的低功率无线电技术

美高森美是能提供多种解决方案的领导厂商，这些方案包括超低功耗无线电和电源管理。ZL70251是美高森美的完全集成的超低功率sub-GHz ISM频带收发器，专门用于功率至关重要的应用中。尽管它的功率非常低，但ZL70251仍然具有足够的数据速率来支持语音或声音通信。采用超过186kbps的数据速率，它具有足够的带宽来传送连续的生物信号，比如ECG、电话品质语音链接或更高品质的声音和某些ULP信号处理。总体功耗大约为4mW~5mW，足够适合耳朵的足够小的耳机工作超过10小时，并且使用薄膜电池的无线听诊器贴片可连续监测慢性呼吸道疾病或支持睡眠呼吸暂停的研究。

在超低功率RF技术是关键的应用中，其中功率是非常重要的且有效载荷大于10bits/sec。先前的可穿戴式无线传感器仅能用于缓慢变化的参数，而新的RF技术可以帮助观察变化更快的生理参数，比如心脏和脑电活动或血氧水平，它们要求大约0.5kbps至5kbps等级速率来提取有意义的波形。基于ZL70251的无线身体传感器消耗的电流平均小于100µA，使得薄膜电池乃至热电能量采集器成为可行的电源选项。

ZL70251采用CSP封装（大约2mm×3mm），也可以提供QFN封装以方便组装，同时将器件的外形尺寸保持在最小。ZL70251具有标准2线和SPI接口，用于任何标准微控制器的控制和数据传送。这为客户提供了挑选适合特定应用的微控制器的选择。

用作传感器的ZL70251的典型使用如图5所示

图5 基于ZL70251的典型无线传感器结构图

微控制器通常与ZL70251和专用传感器或输出设备相连接。例如，对于Lead-1 ECG，ULP模拟前端，输出连接至运行应用和通讯协议的微控制器的ADC，其结果是形成了具有极低功率的无线ECG解决方案，因而它可以在CR系列钮扣电池下连续运行大约一个星期。某些其它类似超低功率参考设计也获得了成功，包括3轴加速度计和脉搏-血氧计。

ZL70251具有行业最低的峰值电流之一，因而成为能源采集应用的理想选择，并且涵盖了包括中国779MHz ISM频带的ISM频带。业界成功开发了使用热电 转换器（TEG）的可测量身体温度的无线可穿戴式传感器原型。图6显示了此类传感器的结构，永远不需要更换电池。

图 6 由能量采集器供电的无线传感器结构图

结论

Sub-GHz ISM频带超低功率频带收发器，比如ZL70251，在市场空间中定位于能满足严苛需求的应用，比如由能量采集器供电的无线传感器、针对可穿戴式无线医疗设备的生物信号（bio-signal）连续监测、以及短程机器对机器应用中的感测应用，这些应用包括使用尖端的超低功率技术的WPAN和WBAN网络应用区域。

编辑：jq