低功率CMOS无线射频芯片设计要点

波器(BPF)。这使得滤波器所需的Q值较高，也比较耗电。

　　FSK(或MSK)系统相较于ODFM或PSK，最大的优势就是简单的解调器，简单的解调器也代表了较低功耗设计。FSK调变可用非同调(non-coherent)解调。非同调解调器不需解调载波(carrier)、不用模拟数字转换器(ADC)，也不需ADC之前的线性放大器或自动增益放大器(AGC)，可大幅降低电路复杂度及功耗。但非同调解调的灵敏度较同调解调略差3dB，所以解调器的选择需依芯片接收灵敏度设计目标来取舍。

　　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。A7153提供了 250kbps 的展频数据传输速率以及范围为- 20 至 5dBm 的可编程 RF 输出功率， 超高接收灵敏度 (-95dBm @ PER<1%)。硬件 MAC 提供 128 位 AES 加密和认证，及SPI 接口。这些接口使得对连接各种MCU变得非常方便。

　　A7153整合了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变器在高低温工作条件下的稳定性)、闭回路系统PLL、PA (及其匹配电路)、RF switch、LNA(及其匹配电路)、Gilbert-cell 混频器(Mixer)、映像抑制滤波器，以及限制器(limiter)。A7153的Mixer与LNA设计成增益可调，用来提升整体接收器线性度表现，*断混频器设计好坏的指标为IIP3，IIP3数值越大，代表着第三阶交互调变讯号会干扰到欲接收讯号的程度越低，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。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(single-ended)输出入合并设计，因此可省去外部昂贵的平衡非平衡适配器(balun)。为达更长的传输距离，笙科电子也提供CMOS工艺的整合型高功率PA(A7700，含LNA)。A7153整体电路均采用低电压设计，低电流驱动架构，达成低消耗功率的目标。

　　另外，A7153整合了晶体振荡器(crystal oscillator)的负载电容及PLL滤波组件，大幅减少了外部被动组件。基频部分整合了许多功能，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，提供软件工程师很容易实现符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全标准之CCM*模块。支持载波感测多重存取 / 碰撞避免机制（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance)沟通方式，含自动应答(Auto ACK)功能，信道能量侦测(ED)及连结质量指示(LQI) ，大幅降低MCU的负担及功耗。

　　Zigbee硬件应用层次

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

　　RF PCB设计最基本的是把电源处理、地面完整性，RF走线、敏感电路和数字信号一一分区处理。因此，零组件布局是RF设计的关键，一般来说，最先处理的是RF路径及Xtal路径上的零组件布局，比如说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，因此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，电源去耦组件要尽可能靠近IC引脚并接地，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讯号走在表层上。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，必须尽可能避免，所以要保持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。

　　笙科电子A7153的参考模块，其PCB天线采用F型天线拓扑结构，支持全向辐射场形。要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，结果造成传输距离的大幅缩短。以下的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。

　　图二 Zigbee 收发器芯片方块图

　　Zigbee软件应用层次

Zigbee 设备最常采