擴大這些系統覆蓋范圍的解決方案分為兩種：其一是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，借以將信號從一個(gè)節點(diǎn)中轉到下一個(gè)節點(diǎn)；其二是相關(guān)技術(shù)，例如藍牙 5 的誤差校正算法，它可以限制比特誤碼率 (BER)。不過(guò)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )會(huì )增加復雜性，而藍牙 5 的范圍擴展則以降低數據速率為代價(jià)。請參見(jiàn)“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯(lián)網(wǎng)挑戰（第 1 部分）”。

 

 

替代型范圍擴展解決方案是將低噪聲放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA) 與射頻芯片組合，從而提高無(wú)線(xiàn)電的“鏈路預算”。選擇包含 LNA 或 LNA + PA 的射頻前端模塊 (FEM)、射頻開(kāi)關(guān)以及采用經(jīng)過(guò)測試的預組裝封裝的邏輯器件，能讓放大設計變得容易。

 

不過(guò)，這種解決方案也存在一些缺點(diǎn)，包括成本和尺寸都會(huì )有所增加，功耗也更高。設計人員還必須考慮美國 FCC 規范和有關(guān)公共射頻頻段中傳輸功率的其他國際規范。

 

本文介紹 RF FEM 如何擴大用于 IoT 應用的短程無(wú)線(xiàn)電系統的覆蓋范圍，討論其與替代方案相比的缺點(diǎn)，并通過(guò)應用示例說(shuō)明設計流程。

 

2.4 GHz 工作頻率的權衡

低功耗藍牙或 zigbee 等無(wú)線(xiàn)電技術(shù)基于一系列的權衡，正是這些權衡造成了限制范圍。首先，該技術(shù)利用的是“2.4 GHz”（以 2.45 GHz 為中心）工業(yè)、科研和醫療 (ISM) 公共頻段，該頻段得到全球認可并可供任何一方免費使用。

 

第一個(gè)權衡之處是，雖然千兆赫頻率支持的頻寬更高，但覆蓋范圍會(huì )成比例縮小。也就是說(shuō)，在相同的功率輸出下，2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電信號的傳輸距離不如在 915 MHz（另一種美國 ISM 頻率）下工作的無(wú)線(xiàn)電信號的傳輸距離遠。 

 

第二個(gè)權衡之處是，由于要與許多其他無(wú)線(xiàn)電源共用頻段，2.4 GHz ISM 頻段無(wú)線(xiàn)電面臨著(zhù)發(fā)射器功率方面的限制。相關(guān)規定很復雜，但基本上是這樣規定的：跳頻頻率數少于 75 個(gè)但至少達到 15 個(gè)（低功耗藍牙有 40 個(gè)）的跳頻系統，在其天線(xiàn)輸入處測量的峰值發(fā)射功率必須限定為 +21 dBm；若全向天線(xiàn)增益大于 6 dBi，則輸出還須有所降低。這樣，最大等效全向輻射功率 (EIRP) 就是 +27 dBm。1

 

第三個(gè)權衡之處是，低功耗藍牙和 zigbee 所采用的設計通過(guò)限制功耗來(lái)最大限度地延長(cháng)電池壽命。這一特性適用于有許多節點(diǎn)的應用，例如大型辦公樓中的無(wú)線(xiàn)照明，因為它可以減少維護工作。限制無(wú)線(xiàn)電處于高功率發(fā)射或接收狀態(tài)的時(shí)間可節約大量電能，但射頻芯片制造者也可以通過(guò)將低功耗藍牙發(fā)射功率限定為 +4 dBm 來(lái)節能（此為通常情況，有時(shí)也可限定為 +8 dBm，均遠遠低于相關(guān)規范允許的 +21 dBm）。

 

信噪比 (SNR) 可衡量接收器從環(huán)境噪聲中正確提取并解碼信號的能力。在閾值 SNR 下，BER 會(huì )超過(guò)無(wú)線(xiàn)電的規格，導致通信失敗。例如，按照低功耗藍牙接收器的設計，其最大 BER 容差僅 0.1% 左右。根據以下公式，SNR 是比特能量與噪聲密度比之比 (Eb/No)、數據速率 (R) 和接收帶寬 (B) 的函數：

 

公式 1

 

當代低功耗藍牙和 zigbee 收發(fā)器兼具高接收靈敏度和可調輸出功率的優(yōu)點(diǎn)以提高鏈路預算，從而使 SNR 達到最大。Nordic Semiconductor nRF52832 和 Texas Instruments CC2538 等現代 2.4 GHz SoC 具有相似的最大鏈路預算，介于 100 至 110 dBm 之間。根據應用情況以及無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的射頻電路和天線(xiàn)設計水平，此類(lèi)芯片在理想情況下有助于實(shí)現 80 至 100 米的覆蓋范圍，典型住宅因墻壁和天花板會(huì )吸收射頻輻射并且存在其他 2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)電源的干擾，所以覆蓋范圍在 10 至 30 米。在大型住宅中，例如無(wú)線(xiàn)照明節點(diǎn)等很容易就會(huì )位于控制器集線(xiàn)器的覆蓋范圍界限上，削弱可靠的性能和日后的系統可擴展性。

 

擴大范圍
 

在低功耗藍牙或 zigbee 應用中擴大覆蓋范圍有一些替代方案。一種是采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，借以在節點(diǎn)之間中轉信號，從而確保系統向外的延伸絕不會(huì )超出覆蓋范圍。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )還具備內置冗余（故障節點(diǎn)不會(huì )導致系統癱瘓，因為可以輕松地改變信號路線(xiàn)）和縮放簡(jiǎn)單的優(yōu)勢。其缺點(diǎn)是復雜性和項目費用大幅增加。

 

另一種解決方案是內置封包傳輸誤差校正功能，以便在信號通常會(huì )淹沒(méi)于噪聲中的情況下降低 BER。這正是最新版本（第 5 版）低功耗藍牙技術(shù)中用于擴大覆蓋范圍的技術(shù)。其缺點(diǎn)是校正后的封包需要更大的系統開(kāi)銷(xiāo)，因此會(huì )犧牲帶寬。

 

第三種方案是提高 SNR，進(jìn)而提高鏈路預算并擴大覆蓋范圍。假設設計人員已經(jīng)采用正確的射頻電路設計原理實(shí)現標準射頻 SoC 或模塊的最佳性能，那么下一步就要采用 RF FEM。請參見(jiàn)“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯(lián)網(wǎng)挑戰（第 2 部分）”。

 

收發(fā)器的噪聲系數 (NF) 用于量化其在噪聲環(huán)境中處理信號的能力，它在某種程度上決定了收發(fā)器接收信號的靈敏度。將收發(fā)器與 LNA 配合使用可降低 NF 并提高靈敏度。

 

使用整合了 LNA、已經(jīng)組裝好并經(jīng)過(guò)測試和認證的模塊化 RF FEM 是最行之有效的簡(jiǎn)單電路集成方法。適合該任務(wù)的 RF FEM 有許多選擇。 例如，Skyworks 提供適用于低功耗藍牙、IEEE 802.15.4 和 zigbee 應用的 SKY66113-11（圖 1）。該芯片集成了高增益 LNA、發(fā)射旁路通路和數字控制功能。增益通常為 12 dB，NF 為 2 dB。

 

 

Skyworks 的 SKY66113-11 示意圖

 

圖 1： Skyworks 的 SKY66113-11 將 LNA 與數字控制集成。該器件還使用了旁路開(kāi)關(guān)，讓系統可以根據需要在無(wú) LNA 的情況下工作。（圖片來(lái)源： Skyworks）

 

以一個(gè)包含 Nordic Semiconductor nRF52832 和 SKY66113-11 的系統為例。按照規格，在鏈路預算為 100 dB 時(shí)，該射頻芯片的最大靈敏度為 -96 dB，最大輸出功率為 4 dB。Nordic 的規格書(shū)中不包含 NF 數據，但此類(lèi)芯片的典型值約為 8 dB。

 

因此，該系統的 NF 為：

 

等式 2

 

這樣的提高將顯著(zhù)擴大覆蓋范圍。為便于比較，在類(lèi)似的應用中，靈敏度提高 6 dB 可以擴大近一倍的覆蓋范圍。

 

除了使用 LNA 提高靈敏度外，還可以同時(shí)在發(fā)射器端上使用 PA 來(lái)擴大覆蓋范圍。目前，市面上提供同時(shí)集成了 LNA 和 PA 的 RF FEM。例如，TI 為其用于低功耗藍牙和 zigbee 的 2.4 GHz 射頻收發(fā)器提供 CC2592 增程器。除 LNA 和 PA 外，CC2592 FEM 還包含射頻開(kāi)關(guān)、射頻匹配和片上平衡不平衡轉換器，用于與 CC2538 zigbee/6LoWPAN (IEEE 802.15.4) 收發(fā)器等器件配合使用（圖 2）。

 

 

與 CC2538 射頻 SoC 配合使用的 Texas Instruments CC2592 增程器示意圖

 

圖 2： 將 CC2592 增程器與 CC2538 射頻 SoC 配合使用非常簡(jiǎn)單。在這種布局中，天線(xiàn)和匹配電路直接連接到增程器而非射頻 SoC。（使用 Digi-Key Scheme-it? 繪制的原理圖。圖片來(lái)源：Texas instruments）


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