低功率CMOS无线射频芯片设计 - 全文

无线通讯市场的趋势一直朝向低成本、低消耗功率、小体积等目标。短距离装置产品(Short-Range Devices )更在无线传感器网络(sensor network) 概念的推波助澜下，带动了射频芯片(RF IC)的需求量大增，射频收发器 (TRX)要达到低功耗设计，低电压工作是必要条件，然而，电路的效能与工作电压有关，在兼顾到效能与低功耗之间，是一个很大的挑战。近年来，RF IC之制作技术日新月异。高速、低功率组件更是众所瞩目之焦点，目前0.13um RF CMOS工艺的晶体管，fT 值可达到60 GHz，这表示CMOS晶体管有足够的能力来处理高频信号，所以产业界的主流几乎以RF CMOS 技术，致力于低功率RF IC的优化与研究。

本文将以笙科电子的2.4GHz IEEE 802.15.4 射频收发器 (适用于 Zigbee 标准，RF4CE则是基于Zigbee的遥控器应用规范) 为例，介绍超低功率CMOS无线射频芯片的设计概要，从电路设计到系统观点，向读者说明芯片设计和应用需要考虑的地方。该芯片设计考虑必须涵盖，通讯标准规格、电路的行为模式。在接收部分，介绍了2.4GHz 射频信号从天线接收后，进入LNA放大信号，经由Mixer，Filter，Limiter，RSSI，最后到达数字解调器，最后把接收数据存入RX-FIFO。另一方面，TX-FIFO内的数字信息经过VCO与双点差异积分调变器(two-point delta-sigma modulation) 调变，把调变后的射频信号透过PA放大，最后经由天线辐射出去，本文亦会从系统观点，提出天线与PCB硬件设计重点，加上软件控制，协助读者理解如何透过A7153实现低功耗的Zigbee 或 RF4CE射频网络。

Zigbee 调变方式与PA设计的考虑

2.4GHz Zigbee 标准定义250kbps展频(DSSS)数据传输速率，并采用偏移四相移键调变加半正弦脉波整型调变方式(Offset-QPSK with half-sine pulse shaping)，其等效于最小频移键调变(MSK)。MSK相较于相移键调变(PSK)或正交分频多任务(OFDM)，是一种恒包络(constant envelope)的调变方式，因此可以选用线性度不高但效率较高的功率放大器，以降低TX功耗。

TX发射器设计考虑

数字调变系统中，IQ调变是一种常见的架构。该架构将调变的Data分成IQ成分，经由半正弦脉波整型及数字模拟转换器(DAC)转成模拟IQ讯号。再透过四相混频器(quadrature mixer)升频至RF讯号。由于IQ讯号使用数字电路实现，因此有较准确的调变指数(modulation index)，缺点是需要较多的电路。

另一方面，由于2.4GHz Zigbee调变等效于MSK，而MSK可视为频移键调变(FSK)的一种，因此可以利用压控振荡器(VCO)来实现频移。由于不需要混频器等电路，因此得以降低电路复杂度及功耗。VCO调变设计有两种，其一为开回路(open loop)，其二为闭回路(close loop)。开回路调变直接利用数据控制VCO频率，而未使用锁相回路(PLL)或将PLL断开。这样虽可拥有较低功耗，但因频率未被锁住，会有恼人的频漂(frequency drift)问题。

相对而言，闭回路系统通常采用delta-sigma modulation，它的方法是改变PLL除频器的除数，进而改变锁相频率，其结果的VCO频率是牢牢被锁住的，因此可以解决频漂的问题。但是受到回路频宽(loop band-width)的限制，通常适用于低数据率的系统。想要利用闭回路架构达到高数据率，则可采用双点差异积分调变器(two-point delta-sigma modulation)，即在差异积分调变上加入VCO调变。数据经由差异积分调变的路径上有低通(low pass)的效果，即高频数据会被滤掉。相对地，在VCO调变的路径上有高通(high pass)的效果。两者互补的结果，即可完整地调变数据。

值得注意的是，VCO的电压对频率转换曲线，会因半导体工艺而有变异，因此需要额外的校正电路来校正频移量。若设计的VCO有较线性的电压对频率转换曲线，则可大大降低校正电路的复杂度。

RX接收器设计考虑

零中频(Zero-IF)及低中频(Low-IF)是易于实现整合型接收器的两种架构。零中频接收器是将RF讯号降频至基频(base-band)，然后用模拟数字转换器(ADC)转成数字讯号，再用数字讯号处理器(DSP)将数据解调出来。由于中频频率为零，因此通道选择(channel selection)只需要用低Q值的低通滤波器，低Q值通道选择滤波器的消耗电流也相对较小。但零中频接收器也具有一些缺点，例如直流偏移(DC offset)及闪烁噪声(flicker noise)。为了解决这些问题，必须增加额外电路及功耗。

低中频接收器则是将RF讯号降至适当的中频，以舒缓上述直流偏移及闪烁噪声等问题。但是低中频接收器则有映像干扰(image interference)的问题，因此低中频接收器需要映像抑制(image rejection)滤波器，同时，通道选择滤波器必须采用带通滤波器(BPF)。这使得滤波器所需的Q值较高，也比较耗电。

FSK(或MSK)系统相较于ODFM或PSK，最大的优势就是简单的解调器，简单的解调器也代表了较低功耗设计。FSK调变可用非同调(non-coherent)解调。非同调解调器不需解调载波(carrier)、不用模拟数字转换器(ADC)，也不需ADC之前的线性放大器或自动增益放大器(AGC)，可大幅降低电路复杂度及功耗。但非同调解调的灵敏度较同调解调略差3dB，所以解调器的选择需依芯片接收灵敏度设计目标来取舍。

2.4GHz IEEE 802.15.4 无线收发器实例

从上述综合考虑，以笙科电子的A7153为例。A7153提供了 250kbps 的展频数据传输速率以及范围为- 20 至 5dBm 的可编程 RF 输出功率， 超高接收灵敏度 (-95dBm @ PER<1%)。硬件 MAC 提供 128 位 AES 加密和认证，及SPI 接口。这些接口使得对连接各种MCU变得非常方便。

 

A7153整合了RF IC所需的模拟电路，如VCO (良好的VCO曲线线性度，提供双点差异积分调变器在高低温工作条件下的稳定性)、闭回路系统PLL、PA (及其匹配电路)、RF switch、LNA(及其匹配电路)、Gilbert-cell 混频器(Mixer)、映像抑制滤波器，以及限制器(limiter)。A7153的Mixer与LNA设计成增益可调，用来提升整体接收器线性度表现，*断混频器设计好坏的指标为IIP3，IIP3数值越大，代表着第三阶交互调变讯号会干扰到欲接收讯号的程度越低，也就是线性度较好，不幸的是，在射频电路设计中，增益与线性度经常要互做取舍。天线接口部分，A7153内建的PA及LNA的脚位型态(pin configuration)上，采用单端(single-ended)输出入合并设计，因此可省去外部昂贵的平衡非平衡适配器(balun)。为达更长的传输距离，笙科电子也提供CMOS工艺的整合型高功率PA(A7700，含LNA)。A7153整体电路均采用低电压设计，低电流驱动架构，达成低消耗功率的目标。

另外，A7153整合了晶体振荡器(crystal oscillator)的负载电容及PLL滤波组件，大幅减少了外部被动组件。基频部分整合了许多功能，包含TX-FIFO与RX-FIFO，自动序码(preamble)添加、同步码及CRC检查码，展频码。此外，A7153内建的AES-128 硬件加速器，提供软件工程师很容易实现符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全标准之CCM*模块。支持载波感测多重存取 / 碰撞避免机制（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance)沟通方式，含自动应答(Auto ACK)功能，信道能量侦测(ED)及连结质量指示(LQI) ，大幅降低MCU的负担及功耗。

Zigbee硬件应用层次

设计Zigbee射频模块，需要用到许多微波电路知识，比如说将PCB Trace等效为天线、传输线、阻抗匹配、讯号反射、绝缘层材料选择、驻波处理，地面(Ground Plane)完整性等，这些因子均会影响RF模块性能表现及EMC问题。

RF PCB设计最基本的是把电源处理、地面完整性，RF走线、敏感电路和数字信号一一分区处理。因此，零组件布局是RF设计的关键，一般来说，最先处理的是RF路径及Xtal路径上的零组件布局，比如说两个电感布局不要平行靠在一起，因为这将形成互感，造成信号干扰，因此最好将两个电感放成直角排列，让互感减到最小。其次是提供RF IC最需要的干净电源，电源一定要滤波，电源去耦组件要尽可能靠近IC引脚并接地，同时考虑PA启动瞬间，瞬时大电流需求的电源问题，另外，电源走线要越短越好，并远离RF信号线或Xtal等干扰源，(电源问题常常造成异常的RF效能与EMC问题)。

一般使用双层的FR4 PCB时，会将主接地面安排于PCB下层，RF讯号走在表层上。在所有PCB设计中，尽可能将数字电路远离仿真电路是不变的原则，它同样也适用于RF PCB设计。当一些高速信号线要穿过了破碎的地面，这绝对不是一件好事，必须尽可能避免，所以要保持PCB下层地面的完整性。针对PCB上层的走线，亦应避免形成过多的游离地，因为它们会像一个小天线，提供干扰源侵入的路径。在大多数情况下，可以把这些游离地去掉。

笙科电子A7153的参考模块，其PCB天线采用F型天线拓扑结构，支持全向辐射场形。要把天线的性能发挥到极致，从应用的角度来讲，RF模块的天线最好伸出母版的边缘，RF模块下面的母版最好不要走线。RF模块和产品外壳的整个设计也会影响天线的性能。粗劣的设计会影响天线场形，使发送信号出现反射、折射、散射，结果造成传输距离的大幅缩短。以下的一些设计指南有助于确保天线的性能，比如，不要直接在模块的天线下面设置接地面或布铜线，天线要尽可能远离金属物体，PA路径下方，尽可能保有一块完整的地面。

Zigbee软件应用层次

Zigbee 设备最常采用的省电方法是使传感器进入周期性的睡眠状态，以便获得长久的电池寿命。也就是说，A7153为了进一步降低平均功耗，内建了无线唤醒机制，MCU先启动A7153的无线唤醒机制，然后进入睡眠模式。此时，除了低功耗无线唤醒定时器仍在运作外，其余电路均自动进入睡眠模式。待定时器数到预定时间时，A7153会自动进入接收状态，去侦测有无射频封包。若有，则收下封包并唤醒MCU，待微控器下达进一步指令。若在某预定时间内未侦测到封包，则A7153又会自动进入睡眠模式并重新开始计时，形成周而复始的工作周期(Duty Cycle)，直到收到封包。

由上述可知，工作周期(Duty Cycle)的长短直接影响数据传输效率以及能源的消耗，长工作周期可以增进数据传输效率但是功耗较多，短工作周期可以节省能源消耗但传输效率下降。A7153提供Zigbee定义的16个射频通道 ( RF4CE 则是从16个信道取出三个信道，分别为2425M / 2450M / 2475MHz)，MCU只需改变A7153一个缓存器，即可达到换频。MCU亦可利用A7153接收端讯号强度指示（RSSI），得知当下网络上讯号强度，计算出贴近网络质量状况的真正表现。另外，透过CSMA/CA沟通方式，可获得更理想的传输效能，同时大幅地降低了封包碰撞的能量消耗。

Zigbee也定义了一个带有时间同步标志的可选超帧（superframe）结构，高优先级通信的 GTS (Guaranteed-Time-Slot)机制，保障无延时或竞争的通信，支持高达 65,000 个节点，不同型态的网络拓扑 (星形、丛集或网状)。极低的工作周期（duty cycle）可以让使用钮扣电池的节点持续运行数年。

当软件工程师启动AES128加密功能时，A7153仅在发射或接收数据封包时才执行。因此，平均功率仍然很低。

RF4CE 射频遥控器--全球新标准

ZigBee 联盟主席 Bob Heile 表示：＂RF4CE 为电子产品制造商提供了一种全球性标准，从而简化对各种消费电子设备的操控，并改善用户体验。今后，消费者将享有更大的便利，更加灵活地使用消费电子设备。＂笙科电子一直很关注RF4CE的市场需求，基于A7153高性价比(Cost / Performance)的竞争优势，除了满足RF4CE遥控器常见的五大优点外，协入客户使用低成本的MCU，在正成形的RF4CE新趋势，取得成本优势。

1.发射瞬间电流为IrDA的十分之一，因此遥控器可以有更长的电池寿命

2.利用双向通讯，能够定位找不到的遥控装置

3.通用指令集实现真正的互操作性，封包加密，无需使用多个遥控装置

4.能够对摆放在几乎任何位置的设备进行操控，特别是隐密的地方

5.新的交互式功能，增强的用户接口和先进的显示功能

结论

笙科电子的A7153，定位上就是锁定RF4CE相对单纯的点对点架构，该芯片内建简单好用的硬件功能，低功耗的芯片架构，提供软件工程师设计出长电池寿命的RF4CE遥控器。RF4CE标准的背后有国际一线消费性电子大厂力挺，因此，RF4CE被预估为Zigbee 杀手级的应用，成为IEEE 802.15.4最重要的市场，使用者只需选择通用型的8051 (或其它8位单芯片)，搭配笙科电子A7153的开发平台，即可设计出成本最佳化的RF4CE遥控器，RF4CE除了逐步取代既有红外线遥控器市场外，势必还有＂异＂想不到的应用躲在暗处，等着有创意的读者来寻宝。