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RF FEM如何扩大用于IoT短程无线电系统

Duke 2018-07-09 09:14 次阅读

低功耗蓝牙zigbee 等广泛使用的 2.45 GHz 短程无线电系统是特别适合物联网 (IoT) 应用的成熟技术。虽然此频段中的无线电确实具有良好的穿墙能力和覆盖范围特性,但在某些应用中(例如在有些节点远离发射集线器的智能照明中)仍然存在一些挑战,迫使系统设计人员不得不考虑范围扩展方案。

扩大这些系统覆盖范围的解决方案包括两种:其一为网状网络,借以将信号从一个节点中转到下一个节点;其二为相关技术,例如蓝牙 5 的误差校正算法,它可以限制比特误码率 (BER)。不过,网状网络会增加复杂性,而蓝牙 5 的范围扩展则以降低数据速率为代价。请参见“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战(第 1 部分)”。

替代型范围扩展解决方案是将低噪声放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA) 与射频芯片组合,从而提高无线电的“链路预算”。选择包含 LNA 或 LNA + PA 的射频前端模块 (FEM)、射频开关以及采用经过测试的预组装封装的逻辑器件,能让放大设计变得容易。

不过,这种解决方案也存在一些缺点,包括成本和尺寸都会有所增加,功耗也更高。设计人员还必须考虑美国 FCC 规范和有关公共射频频段中传输功率的其他国际规范。

本文介绍 RF FEM 如何扩大用于 IoT 应用的短程无线电系统的覆盖范围,讨论其与替代方案相比的缺点,并通过应用示例说明设计流程。

2.4 GHz 工作频率的权衡

低功耗蓝牙或 zigbee 等无线电技术基于一系列的权衡,正是这些权衡造成了限制范围。首先,该技术利用的是“2.4 GHz”(以 2.45 GHz 为中心)工业、科研和医疗 (ISM) 公共频段,该频段得到全球认可并可供任何一方免费使用。

第一个权衡之处是,虽然千兆赫频率支持的频宽更高,但覆盖范围会成比例缩小。也就是说,在相同的功率输出下,2.4 GHz 无线电信号的传输距离不如在 915 MHz(另一种美国 ISM 频率)下工作的无线电信号的传输距离远。 

第二个权衡之处是,由于要与许多其他无线电源共用频段,2.4 GHz ISM 频段无线电面临着发射器功率方面的限制。相关规定很复杂,但基本上是这样规定的:跳频频率数少于 75 个但至少达到 15 个(低功耗蓝牙有 40 个)的跳频系统,在其天线输入处测量的峰值发射功率必须限定为 +21 dBm;若全向天线增益大于 6 dBi,则输出还须有所降低。这样,最大等效全向辐射功率 (EIRP) 就是 +27 dBm。1

第三个权衡之处是,低功耗蓝牙和 zigbee 所采用的设计通过限制功耗来最大限度地延长电池寿命。这一特性适用于有许多节点的应用,例如大型办公楼中的无线照明,因为它可以减少维护工作。限制无线电处于高功率发射或接收状态的时间可节约大量电能,但射频芯片制造者也可以通过将低功耗蓝牙发射功率限定为 +4 dBm 来节能(此为通常情况,有时也可限定为 +8 dBm,均远远低于相关规范允许的 +21 dBm)。

信噪比 (SNR) 可衡量接收器从环境噪声中正确提取并解码信号的能力。在阈值 SNR 下,BER 会超过无线电的规格,导致通信失败。例如,按照低功耗蓝牙接收器的设计,其最大 BER 容差仅 0.1% 左右。根据以下公式,SNR 是比特能量与噪声密度比之比 (Eb/No)、数据速率 (R) 和接收带宽 (B) 的函数:

公式 1

当代低功耗蓝牙和 zigbee 收发器兼具高接收灵敏度和可调输出功率的优点以提高链路预算,从而使 SNR 达到最大。Nordic Semiconductor nRF52832 和 Texas Instruments CC2538 等现代 2.4 GHz SoC 具有相似的最大链路预算,介于 100 至 110 dBm 之间。根据应用情况以及无线产品的射频电路和天线设计水平,此类芯片在理想情况下有助于实现 80 至 100 米的覆盖范围,典型住宅因墙壁和天花板会吸收射频辐射并且存在其他 2.4 GHz 无线电源的干扰,所以覆盖范围在 10 至 30 米。在大型住宅中,例如无线照明节点等很容易就会位于控制器集线器的覆盖范围界限上,削弱可靠的性能和日后的系统可扩展性。

扩大范围

在低功耗蓝牙或 zigbee 应用中扩大覆盖范围有一些替代方案。一种是采用网状网络,借以在节点之间中转信号,从而确保系统向外的延伸绝不会超出覆盖范围。网状网络还具备内置冗余(故障节点不会导致系统瘫痪,因为可以轻松地改变信号路线)和缩放简单的优势。其缺点是复杂性和项目费用大幅增加。

另一种解决方案是内置封包传输误差校正功能,以便在信号通常会淹没于噪声中的情况下降低 BER。这正是最新版本(第 5 版)低功耗蓝牙技术中用于扩大覆盖范围的技术。其缺点是校正后的封包需要更大的系统开销,因此会牺牲带宽。

第三种方案是提高 SNR,进而提高链路预算并扩大覆盖范围。假设设计人员已经采用正确的射频电路设计原理实现标准射频 SoC 或模块的最佳性能,那么下一步就要采用 RF FEM。请参见“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战(第 2 部分)”。

收发器的噪声系数 (NF) 用于量化其在噪声环境中处理信号的能力,它在某种程度上决定了收发器接收信号的灵敏度。将收发器与 LNA 配合使用可降低 NF 并提高灵敏度。

使用整合了 LNA、已经组装好并经过测试和认证的模块化 RF FEM 是最行之有效的简单电路集成方法。适合该任务的 RF FEM 有许多选择。 例如,Skyworks 提供适用于低功耗蓝牙、IEEE 802.15.4 和 zigbee 应用的 SKY66113-11(图 1)。该芯片集成了高增益 LNA、发射旁路通路和数字控制功能。增益通常为 12 dB,NF 为 2 dB。

Skyworks 的 SKY66113-11 示意图

图 1: Skyworks 的 SKY66113-11 将 LNA 与数字控制集成。该器件还使用了旁路开关,让系统可以根据需要在无 LNA 的情况下工作。(图片来源: Skyworks)

以一个包含 Nordic Semiconductor nRF52832 和 SKY66113-11 的系统为例。按照规格,在链路预算为 100 dB 时,该射频芯片的最大灵敏度为 -96 dB,最大输出功率为 4 dB。Nordic 的规格书中不包含 NF 数据,但此类芯片的典型值约为 8 dB。

因此,该系统的 NF 为:

等式 2

这样的提高将显著扩大覆盖范围。为便于比较,在类似的应用中,灵敏度提高 6 dB 可以扩大近一倍的覆盖范围。

增加功率放大器

除了使用 LNA 提高灵敏度外,还可以同时在发射器端上使用 PA 来扩大覆盖范围。目前,市面上提供同时集成了 LNA 和 PA 的 RF FEM。例如,TI 为其用于低功耗蓝牙和 zigbee 的 2.4 GHz 射频收发器提供 CC2592 增程器。除 LNA 和 PA 外,CC2592 FEM 还包含射频开关、射频匹配和片上平衡不平衡转换器,用于与 CC2538 zigbee/6LoWPAN (IEEE 802.15.4) 收发器等器件配合使用(图 2)。

与 CC2538 射频 SoC 配合使用的 Texas Instruments CC2592 增程器示意图

图 2: 将 CC2592 增程器与 CC2538 射频 SoC 配合使用非常简单。在这种布局中,天线和匹配电路直接连接到增程器而非射频 SoC。(使用 Digi-Key Scheme-it® 绘制的原理图。图片来源:Texas instruments)

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CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE / ZigBee 的第二代片上系统解决方案

CC2531 用于 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的片上系统解决方案

CC2531是一款支持USB的真正片上系统(SoC)解决方案,适用于IEEE 802.15.4,ZigBee和RF4CE应用。它可以以低总物料清单成本构建USB加密狗或USB可升级网络节点。 CC2531将领先的RF收发器的性能与业界标准的增强型8051 MCU,系统内可编程闪存,8 KB RAM以及许多其他强大功能相结合。 CC2531具有多种工作模式,适用于需要超低功耗的系统。操作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 USB HID和CDC库和示例的源代码可从www.ti.com上的CC2531产品页面下载。 结合业界领先的黄金单元状态ZigBee协议栈(Z-Stack) )来自德州仪器,CC2531提供强大而完整的ZigBee USB加密狗或固件可升级网络节点。 结合德州仪器的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2531提供强大的ZigBee RF4CE遥控器 - USB加密狗或TV /STB实现的控制目标。 特性 RF /布局 2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容RF收发器 出色的接收灵敏度 可编程输出功率高达4.5 dBm 少数外部组件 异步网络只需要单个晶体 6毫米×6毫米QFN40封装 适用于符合全球无线电频率规定的系统:ETSI EN 300 328和EN 300 440(欧洲)...
发表于 11-02 19:33 48次 阅读
CC2531 用于 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的片上系统解决方案

CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 射频收发器

CC2520是TI针对2.4 GHz免许可ISM频段的第二代ZigBee®/IEEE 802.15.4 RF收发器。该芯片通过提供最先进的选择性/共存性,出色的链路预算,高达125°C的工作温度和低电压工作,实现了工业级应用。此外,CC2520还提供广泛的应用硬件支持帧处理,数据缓冲,突发传输,数据加密,数据认证,空闲信道评估,链路质量指示和帧定时信息。这些功能可降低主控制器的负载。 在典型系统中,CC2520将与微控制器和一些额外的无源元件一起使用。 特性 申请 IEEE 802.15.4系统 ZigBee®系统 工业监控 家庭和楼宇自动化 自动抄表 低功耗无线传感器网络 机顶盒和遥控器 消费类电子产品 主要特点 最先进的选择性/共存相邻信道抑制:49 dB 备用信道抑制:54 dB 出色的链路预算(103dB) 400 m视距范围 扩展温度范围(? ?40至+ 125°C) 宽电源范围:1.8 V ?? 3.8 V 广泛的IEEE 802.15.4 MAC硬件支持卸载微控制器 AES-128安全模块 CC2420接口兼容模式 低功率 RX(接收帧,?? 50 dBm)18.5 mA TX 33.6 mA @ +5 dBm TX 25.8 mA @ 0 dBm 设备齐全的开发套件 硬件中的数据包嗅探器支持 ZigBee®是Z...
发表于 11-02 19:33 15次 阅读
CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 射频收发器

CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2592器件是一款针对低功率和低压2.4GHz无线应用的经济高效且高性能的RF前端。 CC2592器件是一款针对德州仪器(TI)所有CC25XX 2.4GHz低功率RF收发器,发射器和片上系统产品的范围扩展器。 为了增加链路预算,CC2592器件提供一个可增加输出功率的功率放大器,以及一个具有低噪声系数的LNA,以提升接收器灵敏度。 CC2592器件提供一个极小尺寸,高输出功率RF设计,此设计采用4mm x 4mm四方扁平无引线(QFN)-16封装。 CC2592器件包含高性能无线应用简单设计所需的PA,LNA,开关,RF匹配和不平衡变压器。 特性 与德州仪器(TI)2.4GHz低功率RF器件的无缝对接 + 22dBm输出功率 CC2520,CC253X和CC85XX上3dB典型经改进灵敏度 极少的外部组件 集成开关 集成匹配网络 集成不平衡变压器 集成电感器 集成功率放大器(PA) 集成低噪声放大器(LNA) 通过HGM端子的LNA增益数字控制 断电时(LNA_EN = PA_EN = 0),电流100nA 低发送流耗 对于+ 22dBm,PAE = 34%,电压3V时的电流为155mA 低接收流耗 针对高增益模式的4.0mA电流 针对低增益模式的1.9mA电流 4.7dB L...
发表于 11-02 19:32 46次 阅读
CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 应用的强大片上系统

CC2538xFnn是适用于高性能ZigBee应用的理想无线微控制器片上系统(SoC)。该器件包含基于ARM Cortex M3的强大的MCU系统,具有高达32KB的片上RAM和高达512KB的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4射频功能。这使得该器件能够处理涉及安全性,要求严格的应用程序以及无线下载的复杂网络协议栈.32个通用输入和输出(GPIO)以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。强大的硬件安全加速器可在CPU处理应用任务的同时实现快速且高效的认证和加密。具有保持功能的多个低功耗模式可实现从休眠状态快速唤醒并且显着降低执行顺期平稳开发,CC2538xFnn包括一个强大的调试系统和一个综合性驱动器库。为了减少应用闪存封装尺寸, CC2538xFnn ROM包含一个实用功能库和一个串行引导加载器.CC2538与T我免费提供的稳健且全面的Z-Stack软件解决方案搭配使用,可提供市场上功能最强大,最稳定的ZigBee解决方案。 特性 微控制器 强大的ARM Cortex-M3,具有代码预提取功能 高达32MHz的时钟速度 512KB,256KB或128KB系统内可编程闪存 支持片上无线升级(OTA) 支持双Zigbee应用配置 高达32KB的RAM(...
发表于 11-02 19:32 22次 阅读
CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 应用的强大片上系统

AMC7834 AMC7834 集成功率放大器监视和控制系统

AMC7834器件是一款针对功率放大器(PA)偏置的高度集成,低功耗,模拟监视和控制解决方案,能够对温度,电流和电压进行监控。 该器件集成了一个多通道12位模数转换器(ADC);八个12位数模转换器(DAC);四个高侧电流感测放大器,可以选择设置它们作为四个独立闭环漏极电流控制器的一部分;一个精确的片上温度传感器和两个远程温度二极管驱动器;四个可配置的通用I /O端口(GPIO);以及一个精确的内部基准。其高集成度极大地减少了组件数量,并且简化了PA偏置系统设计。 该器件具有功能集成和宽工作温度范围等诸多优势,因此适合用作多通道射频(RF)通信系统中PA的一体化,低成本偏置控制电路。凭借灵活的DAC输出范围和宽共模电压电流传感器,此器件可用作针对多种晶体管技术(例如LDMOS,GaA和GaN)的偏置解决方案.AMC7834功能集对通用监视器和控制系统而言同样有益。 德州仪器(TI)提供了一个完备的模拟监视和控制(AMC)产品系列,以满足各类应用不同的通道数,附加特性或者转换器解决方案需求。更多信息,敬访访问www.ti.com.cn/amc。 特性 8个具有可编程范围的单调性12位数模转换器(DAC) 4个双极DAC...
发表于 08-30 16:06 506次 阅读
AMC7834 AMC7834 集成功率放大器监视和控制系统

CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的真正的片上系统解决方案

CC2533是基于IEEE 802.15.4的远程控制系统的优化片上系统(SoC)解决方案。当用作灵活的SoC时,它可以以低物料成本构建单芯片遥控器。当在RemoTI RF4CE堆栈的无线网络处理器配置中使用时,它还提供了将RF4CE功能添加到设备或目标的简单路径。可以以非常低的总物料清单成本构建强大的网络节点。 CC2533将领先的RF收发器的卓越性能与单周期8051兼容CPU相结合,最高可达96 KB - 系统可编程闪存,高达6 KB RAM,以及许多其他强大功能。 CC2533具有高效的功耗模式,RAM和寄存器保持低于1μA,非常适合需要超低功耗的低占空比系统。工作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 结合德州仪器的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2533提供了强大而完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。它也非常适合在具有SPI /UART /I 2 C接口的网络处理器配置中实现远程控制系统的目标端。 CC2533配有参考设计和实现远程控制系统的示例软件,以确保高效的设计。 CC2533有三种内存大小配置: CC2533F32 - 32 KB闪存,4 KB RAM CC2533F64 - 64 KB闪存,4 KB RAM CC2533F96 - 96 K...
发表于 08-21 18:44 247次 阅读
CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的真正的片上系统解决方案

DRV594 +/-3A 高效 PWM 功率驱动器

DRV593和DRV594是高效率,高电流功率放大器,非常适合驱动2.8 V至5.5供电系统中的各种热电冷却器元件V.器件的操作仅需要一个电感器和电容器用于输出滤波器,从而节省了大量的印刷电路板面积。脉冲宽度调制(PWM)操作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在内部受到热和电流过载保护。当结温达到大约128°C时,逻辑电平故障指示信号发出信号,以便在放大器内部热关断电路激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时,故障指示器也会发出信号。如果过流电路跳闸,器件会自动复位(更多详细信息,请参见应用信息部分)。 根据系统要求,PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为消除外部元件,DRV593的增益固定为2.3 V /V.对于DRV594,增益固定为14.5 V /V. 特性 与DRV591相比,操作将输出滤波器尺寸和成本降低50% ±3-A最大输出电流 低电源电压工作:2.8 V至5.5 V 高效率产生更少热量 过流和热保护 故障指示灯过流,热和欠压条件 两个可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案 < li> 9×9 mm PowerPAD™Quad Flatpack封装 应用 热电冷却器(TEC)驱动器 激...
发表于 08-10 17:43 156次 阅读
DRV594 +/-3A 高效 PWM 功率驱动器

DRV593 +/-3A 高效 PWM 功率驱动器

DRV593和DRV594是高效率,高电流功率放大器,非常适合驱动2.8 V至5.5供电系统中的各种热电冷却器元件V.器件的操作仅需要一个电感器和电容器用于输出滤波器,从而节省了大量的印刷电路板面积。脉冲宽度调制(PWM)操作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV593和DRV594在内部受到热和电流过载保护。当结温达到大约128°C时,逻辑电平故障指示信号发出信号,以便在放大器内部热关断电路激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时,故障指示器也会发出信号。如果过流电路跳闸,器件会自动复位(更多详细信息,请参见应用信息部分)。 根据系统要求,PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为消除外部元件,DRV593的增益固定为2.3 V /V.对于DRV594,增益固定为14.5 V /V. 特性 与DRV591相比,操作将输出滤波器尺寸和成本降低50% ±3-A最大输出电流 低电源电压工作:2.8 V至5.5 V 高效率产生更少热量 过流和热保护 故障指示灯过流,热和欠压条件 两个可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案 < li> 9×9 mm PowerPAD™Quad Flatpack封装 应用 热电冷却器(TEC)驱动器 激...
发表于 08-10 17:37 170次 阅读
DRV593 +/-3A 高效 PWM 功率驱动器

DRV591 高效 PWM 功率驱动器

DRV591是一款高效率,高电流功率放大器,适用于驱动2.8 V至5.5 V电源系统中的各种热电冷却器元件PWM工作和低输出级导通电阻可显着降低放大器的功耗。 DRV591内部具有热和电流过载保护功能。逻辑电平故障指示器在结温达到约130°C时发出信号,以便在放大器内部热关断电路激活之前进行系统级关断。当发生过电流事件时,故障指示器也会发出信号。如果过流电路跳闸,DRV591会自动复位(更多详细信息,请参见应用信息部分)。 根据系统要求,PWM开关频率可设置为500 kHz或100 kHz。为了消除外部元件,增益固定在大约2.3 V /V。 特性 ±3-A最大输出电流 低电源电压工作:2.8 V至5.5 V < li>高效率产生的热量 过流和过热保护 过流,过热和欠压条件下的故障指示灯 两种可选择的开关频率 内部或外部时钟同步 针对EMI优化的PWM方案 9×9 mm PowerPAD ?? Quad Flatpack 应用 热电冷却器(TEC)驱动器 激光二极管偏置 PowerPAD是德州仪器公司的商标。 参数 与其它产品相比 TEC/激光 PWM 功率放大器   Vs (Min) (V) Vs (Max) (V) rDS(on) (Ohms) Output Current (Typ) (A) ...
发表于 08-10 17:37 167次 阅读
DRV591 高效 PWM 功率驱动器

CC2595 用于 2.4GHz ISM 频带系统的射频前端发射功率放大器

CC2595是一款PA解决方案,可扩展任何Zigbee或蓝牙收发器的范围。它是一款经济高效的高性能RF前端,适用于2.4 GHz频段的低功耗和低电压无线应用。如果使用适当的外部元件,其单端RF输入和输出使其与任何制造商的收发器兼容。当使用发送/接收(T /R)开关和平衡 - 不平衡转换器时,它可以与现有和未来的CC24XX和CC25XX收发器产品连接。 CC2595通过提供功率放大器来扩展链路预算,以提高输出功率。它对高(+20 dBm)输出功率非常有效,使其适用于电池供电系统。 CC2595包含PA和RF匹配,可用于高性能无线应用的简单设计。它采用3×3mm,16引脚QFN封装,带有裸露焊盘。 特性 低成本和小包装 非常少的外部组件 2.0-V到3.6- V操作 掉电模式下小于1μA的电流消耗 低发送电流消耗 3 V时98 mA,+ 20.7 dBm输出(PAE) = 40%) 符合RoHS标准的3×3毫米QFN-16封装 参数 与其它产品相比 射频增益块放大器   Number of Channels (#) Frequency (Min) (MHz) Frequency (Max) (MHz) Noise Figure (Typ) (dB) P1dB (Typ) (dBm) Gain (Typ) (dB) Impedance Match...
发表于 08-10 16:12 69次 阅读
CC2595 用于 2.4GHz ISM 频带系统的射频前端发射功率放大器