短距离无线消费电子的RF前端设计

引言

随着系统成本和功耗进一步降低以及产品性能的提高，无线短距离消费电子市场正高速增长。本文将向设计工程师介绍一些市场上出现的新趋势和方案，并介绍RFW102芯片组的特点和应用。
　
短距离无线应用是指可在最远100米范围内传输数据的解决方案。无线短距离应用主要有以下几种：

无线局域网(WLAN) 可替代有线LAN连接的高速传输方案(11~56Mbps)。WLAN方案在办公室应用场合很普遍，而且在小型办公室/家庭办公(SOHO)和私人住宅等应用场合也越来越流行。其室内有效距离通常是100米。

个人区域网络(PAN) 适用于10米范围内的中等传输率应用环境(有些PAN有时需要更远的距离)。该方案主要针对开放环境应用和产品(蓝牙)。

图1：基于RFW102收发器的功能框图

无线短距离消费类产品中低速数据传输应用，有效范围在30米内，该类产品可能跟一些PAN应用有重叠。该类方案一般针对封闭应用环境和产品，目前这类产品存在很多解决方案。

射频前端技术趋势

由于消费类产品对无线通信功能的需求不断增长，针对这些需求目前存在各种技术方案，而各种技术方案的优越性可用下面五个关键指标来衡量：

成本：成本越低，应用越广，市场潜力也就越大。可以这么说，当成本每降低10%，市场潜力将会扩大100%。

传输范围：短距离无线方案的适用范围一般在室内30米以内。

电源效率：无线设备在许多情况下是由电池供电的，因此电池使用寿命是一个关键指标。这一问题将会间接地反映在成本上，因为功耗大，消费者就必须更频繁地更换电池。即使使用可充电电池，消费者也需要更强劲的电池，以便每次充电后的使用时间尽可能长。

服务质量(QoS)：满足数据传输率要求条件下提供可靠的数据链接。

高数据传输率：该参数可为无线消费产品市场开辟新的应用领域。过去由于成本问题而无法实现的应用，现在也可通过恰当的设计来实现。

一个无线方案一般由RF前端和媒体访问层(MAC)两部分组成。RF前端主要由以下几个性能指标来衡量：

链接预算：链接预算[dB] = 输出功率[dBm] - 灵敏度[dBm]。输出功率是指发射时从发射器输出的功率，灵敏度是指接收器的灵敏度。10米室内距离要求至少70dB的链接预算，当前的许多产品都满足这一要求。输出功率一般为0~10dBm，灵敏度为-80~-90dBm。

图2：RFW102前端实现电路图。

工作频率：消费类产品不能承受频率占用的费用，最好工作在无需申请许可的ISM频段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM频段，供应商所使用的其它频段还有900-928MHz (只适用于美洲大陆)和868-870MHz (欧洲的大部分地区)。

调制方案：目前的许多产品采用幅移键控(ASK)或频移键控(FSK)。

扩频方案：频谱扩展可为工作于ISM频段的无线应用实现稳定性和安全性。常用的两种扩频方案是跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)，这两种完全不同的扩频方案都具有同样的稳定性。

接收器/发射器/收发器：单工链接是指每一边(节点)在某一时刻要么发射(发射器)，要么接收(接收器)，但不能同时发射和接收；而双工链接则意味着每一节点都可同时发射和接收(收发器)。

消费类产品的RF前端

无线短距离消费市场是一个庞大的市场，有着各种各样的产品(见表2)。但从消费者的角度来看，现今的产品还无法以合理的价格提供令人满意的解决方案。

　　无线产品厂商在选择技术方案时，一般更注意成本问题，甚至认为成本比质量更重要。但是消费者并不能接受这种思想，他们希望无线产品至少能跟低价位有线产品一样好。因此，无论一个无线方案多么好，只要不能实现合理的价格，它就无法应用于消费类产品；同样，如果所用的无线方案不能提供跟有线方案同样好的数据链接性能，消费者也不会满意。表 1给出了改善以上讨论的5个基本参数的技术要求。

因此，一个重要的问题是找到一个超低价格的无线方案，并具有高性能。由于所有的无线方案都面临前面所讲的问题，下面将以RFWaves公司的无线方案为例来讨论。

RFW102收发器芯片组实现方案

图 1描述了一种采用RFWaves公司RFW102收发器芯片组的典型应用。该方案包括两个主要部分：RF前 端和数字后端。

表1：改善系统成本和性能的要求。

RF前端：

RF前端采用RFW102收发器芯片组，包括RFW24、RFW488C和RFW488R三个芯片。RFW24--完成所有的时序、放大、切换、发送和接收功能。

RFW488C--在石英基底上实现的4引脚SAW相关器(correlator)。该芯片是一个完全非差分无源器件，是DSSS扩频和去扩频的基本单元。他可作为横向13位BPSK Barker码相关器(匹配滤波器)。

RFW488R--单端口SAW谐振器，谐振频率为488MHz，可作为系统的CW振荡源。

除RFW102芯片组外，仅需几个无源器件就可实现一个完整的方案，如图 2所示。RFWaves调制解调器具有以下特性：

工作频率：2.4GHz，全球免许可申请频段，采用DSSS技术。

低接收功耗：1kbps@40μA;10kbps@380μA;100kbps@3.8mA;1Mbps@38mA；

低发送功耗：1kbps@25μA;10kbps@220μA;100kbps@2.2mA;1Mbps@21mA。

待机电流：2.6μA；唤醒时间：20μS；同步时间：1μS。RFWaves收发器仅需一个比特实现同步(实现同步时间为1.2μS)；

输出功率：+2dBm；灵敏度：-80dBm。

数据传输速率：最高1Mbps。

RF前端带有一个简单的三线数字接口，具有如下基本功能：

Tx/Rx--确定工作模式；

TxD/RxD--可发送和接收数字信号的双向线；

ACT--实现待机模式，节省电能。