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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Zigbee定位系统的特点,原理和实验等详细资料解析资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是Zigbee定位系统的特点,原理和实验等详细资料解析资料免费下载网关部分....

发表于 10-24 11:50 70次 阅读
Zigbee定位系统的特点,原理和实验等详细资料解析资料免费下载

如何使用ZigBee技术对智能家居进行研究和设计

分析了ZigBee 技术及家庭网络的特点。介绍了一种基于ZigBee 技术的智能家居系统。重点阐述了....

发表于 10-23 19:32 88次 阅读
如何使用ZigBee技术对智能家居进行研究和设计

CC2430芯片的主要特点和引脚功能及典型应用电路的资料概述

CC2430芯片是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片。适....

发表于 10-23 19:32 57次 阅读
CC2430芯片的主要特点和引脚功能及典型应用电路的资料概述

基于使用ZigBee技术的低功耗电能参数无线监测系统的详细资料概述

电力设备在线故障诊断以安全、稳定为根本目标和先决条件,受到电力企业的普遍重视,而基于ZigBee技术....

发表于 10-23 19:32 59次 阅读
基于使用ZigBee技术的低功耗电能参数无线监测系统的详细资料概述

如何创建一个ZigBee的项目工程详细资料概述

NXP JN-516x提供了- ~套完整的ZigBee家庭自动化软件解决方案,其中包括ZigBee ....

发表于 10-23 17:06 61次 阅读
如何创建一个ZigBee的项目工程详细资料概述

如何使用ZigBee技术进行智能家居系统的设计与实现的方案资料概述

本文提出了一种基于ZigBee 技术的网络化智能家居系统的设计与实现方案。系统采用ZigBee 网状....

发表于 10-23 14:18 78次 阅读
如何使用ZigBee技术进行智能家居系统的设计与实现的方案资料概述

ZigBee协议栈系统任务怎么被添加又是怎么被切换的

弄了这么久ZigBee协议栈,今天终于有一点头绪了,基本上知道了整个系统任务怎么被添加,又是怎么被切....

发表于 10-23 11:04 64次 阅读
ZigBee协议栈系统任务怎么被添加又是怎么被切换的

LM1875单片功率放大器的数据手册免费下载

LM1875是一个单片功率放大器,为用户音频应用提供非常低的失真和高质量的性能。LM1875在±25....

发表于 10-23 08:00 161次 阅读
LM1875单片功率放大器的数据手册免费下载

Nordic参展 “北欧智慧城市博览会” 演示nRF91系列SiP器件与蜂窝IoT的无缝网络连接

Nordic Semiconductor演示nRF91系列SiP器件与蜂窝IoT的无缝网络连接,以配....

的头像 人间烟火123 发表于 10-19 10:46 1787次 阅读
Nordic参展 “北欧智慧城市博览会” 演示nRF91系列SiP器件与蜂窝IoT的无缝网络连接

ZigBee是什么?Zigbee协议栈的详细资料概述免费下载

ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的,定义了协议的MAC和PHY层。Zig....

发表于 10-19 10:06 63次 阅读
ZigBee是什么?Zigbee协议栈的详细资料概述免费下载

如何使用ZigBee进行无线传感器的网络研究详细资料概述

为了验证ZigBee协议的有效性,叙述了新型无线zigBee通信技术,介绍ZigBee协议的结构和特....

发表于 10-18 11:35 66次 阅读
如何使用ZigBee进行无线传感器的网络研究详细资料概述

三星的准5G天线和功率放大器能实现尺寸更小、效率更高的5G设备和器材

据悉,三星电子日前宣布推出准5G天线和功率放大器技术的开发,能实现尺寸更小、效率更高的5G设备和器材....

发表于 10-16 16:56 910次 阅读
三星的准5G天线和功率放大器能实现尺寸更小、效率更高的5G设备和器材

如何使用GSM和ZigBee的进行一个远程无线数据采集系统的设计

近年来,无线传感器网络技术发展非常迅速,并在很多领域得到了广泛的应用。通过对全球移动通讯系统(GsM....

发表于 10-16 16:18 69次 阅读
如何使用GSM和ZigBee的进行一个远程无线数据采集系统的设计

如何使用ZigBee进行无线传感网络网关的设计详细资料分析

文章介绍了一种基于ZigBee协议的无线传感器网络的网关设计整体方案。以Intel PXA270为核....

发表于 10-16 11:13 87次 阅读
如何使用ZigBee进行无线传感网络网关的设计详细资料分析

ZigBee技术在智能家居中有什么作用详细应用方案说明

近年来在无线个域网WPAN技术领域,各种标准的技术在竞相发展,而这些不同技术的产品之间既有竞争又有相....

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ZigBee技术在智能家居中有什么作用详细应用方案说明

ZigBee在物联网中有什么作用和应用?

在物联网成为热点的今天,其应用前景令人关注。通过介绍ZigBee 技术标准及其优势,总结了ZigBe....

发表于 10-16 11:13 113次 阅读
ZigBee在物联网中有什么作用和应用?

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 16:06 444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 18:44 161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 17:43 118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 17:37 133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 17:37 103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 53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