RF4CE射频遥控器的软硬件设计介绍

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为例讨论无线收发器设计实例。A7153提供了250kbps的展频数据传输速率、范围为-20至5dBm的可编程RF输出功率，以及超高接收灵敏度(-95dBm@PER1%)。硬件MAC提供128位AES加密和认证，以及SPI接口。这些接口使得对连接各种MCU变得非常方便。

A7153集成了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制器在高低温工作条件下的稳定性)、闭回路系统PLL、PA及匹配电路、RF开关、LNA及匹配电路)、Gilbert-cell混频器、映像抑制滤波器以及限幅器(limiter)。A7153的混频器与LNA设计成增益可调，用来提升整体接收器线性度表现。评断混频器设计好坏的指标为IIP3，IIP3数值越大，代表第三阶交互调制信号会干扰到欲接收信号的程度越低，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。

在天线接口部分， A7153内建的PA及LNA的脚位型态(pin configuration)上采用单端输出入合并设计，可省去外部昂贵的平衡非平衡适配器(balun)。为达到更长的传输距离，笙科电子也提供CMOS工艺的集成型高功率PA(A7700，含LNA)。A7153整体电路均采用低电压设计、低电流驱动架构，以实现低消耗功率的目标。

A7153集成了晶体振荡器的负载电容及PLL滤波组件，大幅减少了外部被动元件。基频部分集成了许多功能，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，提供很容易实现符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全标准的CCM*模块，并支持载波侦测多重存取/碰撞避免(CSMA/CA)机制沟通方式，具有自动应答(Auto ACK)功能、信道能量侦测(ED)及连结质量指示(LQI)，大幅降低了MCU的负担及功耗。

Zigbee硬件设计原则

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

RF PCB设计最基本的要求是把电源处理、地面完整性、RF走线、敏感电路和数字信号进行分区处理。因此，元器件布局是RF设计的关键。一般来说，最先处理的是RF路径及Xtal路径上的元器件布局。比如，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，而是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，电源去耦元件要尽可能靠近IC引脚并接地，并同时考虑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信号走在表层上。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，须尽可能避免，并保持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。

在笙科电子A7153的参考模块中，PCB天线采用F型天线拓扑结构，支持全向辐射场形。为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，造成传输距离的大幅缩短。还有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软件设计

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，以获得长久的电池寿命。也就是说，A7153为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，则接收封包并唤醒MCU，待MCU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，直到接收到封包。

由上述可知，工作周期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