探究超低功率短距離無(wú)線電收發(fā)器

概述

最近幾年，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）市場(chǎng)和超低功率（ultra-low power，ULP）無(wú)線電市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)巨大增長(zhǎng)。此類無(wú)線電應(yīng)用從大量基于占空比的點(diǎn)測(cè)傳輸擴(kuò)展到更多數(shù)據(jù)密集連續(xù)鏈接，同時(shí)采用更小電池和可替代能源，比如能量采集（energy harvesting，EH）設(shè)備來(lái)供電。WSN應(yīng)用包括短程機(jī)器對(duì)機(jī)器（machine-to-machine，M2M）、人體周圍的醫(yī)療傳感器和大量針對(duì)新興市場(chǎng)感測(cè)和自動(dòng)化的其它應(yīng)用。

人體周圍的無(wú)線傳感器可以分為兩類網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）和無(wú)線體域網(wǎng)（wireless body area network，WBAN）。WPAN的網(wǎng)絡(luò)空間圍繞在個(gè)人周圍，覆蓋附近的生活或工作空間，通?？蛇_(dá)10米范圍，這包括藍(lán)牙和ZigBee等協(xié)議。WBAN的無(wú)線空間更小，圍繞著個(gè)人，通?？蛇_(dá)到1米范圍，用于與人體相關(guān)的傳感器之間的通信。雖然WPAN和WBAN的網(wǎng)絡(luò)空間是有差異的，但許多應(yīng)用也重疊了兩者。

無(wú)線電技術(shù)和低功率傳感器的發(fā)展打開(kāi)了新的WSN競(jìng)技場(chǎng)。對(duì)于超低功率WSN，另一個(gè)重要的組成部分就是有效的能量存儲(chǔ)和管理。微功率電池，如薄膜電池，近年來(lái)在技術(shù)上隨同微功率管理解決方案已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。ULP技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)取代了對(duì)于AA或AAA電池的需求，達(dá)到更小的電池容量和尺寸。因此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有長(zhǎng)電池壽命的小型、靈活的智能無(wú)線傳感器。

采用新一類無(wú)線傳感器的最新的WSN技術(shù)，它們由采集能源來(lái)供電，因而無(wú)需更換電池。它們用于感測(cè)和監(jiān)測(cè)難以觸碰的環(huán)境和應(yīng)用，這些環(huán)境和應(yīng)用地點(diǎn)可以采集能量。無(wú)線傳感器在采集的能源下工作，具有一系列比常規(guī)無(wú)線傳感器更嚴(yán)格的要求：除了一般的低功耗外，還有低峰值功率、超低待機(jī)電流和其它需求。這是相當(dāng)新的WSN領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用，包括醫(yī)療、M2M、軍事和其它研究領(lǐng)域。

短距離無(wú)線電收發(fā)器的技術(shù)和設(shè)計(jì)考慮因素在此類低功率無(wú)線傳感器的效率方面發(fā)揮著重要的作用，適應(yīng)上述應(yīng)用要求的收發(fā)器要求可以按照?qǐng)D1來(lái)分類。

圖1 超低功率無(wú)線電收發(fā)器要求美高森美CMPG Reghu Rajan

關(guān)鍵因素

在無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，收發(fā)器的電源要求是一個(gè)關(guān)鍵因素。因?yàn)榇蠖鄶?shù)ULP傳感器在微小型電池和能量采集源下運(yùn)行，非常需要低于2V的工作電壓。根據(jù)電池化學(xué)特性，大多數(shù)傳感器使用單一電池。在低至1.1V電壓下工作的無(wú)線電收發(fā)器，為傳感器設(shè)計(jì)提供了額外的靈活性并減少了功率管理限制。在比較不同的解決方案時(shí)，供電電壓、功率放大器能耗（在可比范圍）和鏈接數(shù)據(jù)速率常常被忽略。然而，所有這三種都具有實(shí)質(zhì)影響。

在2.5V電壓下工作的無(wú)線電裝置的功耗是相同電流消耗但工作在1.25V電壓下的無(wú)線電裝置的兩倍。僅當(dāng)需要輸出功率超出5dBm時(shí)才要求在較高的電壓下工作。對(duì)于短程應(yīng)用，情況不是這樣的，因?yàn)檩敵龉β屎苌俪^(guò)0dBm。在系統(tǒng)級(jí)上，低供電電壓是降低功耗的一個(gè)簡(jiǎn)單方法，但是需要一個(gè)設(shè)計(jì)用于低電壓運(yùn)行的無(wú)線電頻率（RF）集成電路。

峰值電流是收發(fā)器的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。幾乎所有基于無(wú)線電的傳感器網(wǎng)絡(luò)依靠占空比來(lái)省電并限制無(wú)線電信道空間的使用。這產(chǎn)生了傳感器的電流消耗曲線峰值。具有高峰值電流的無(wú)線電帶來(lái)了對(duì)電源管理的限制并使得滿足電源抑制要求更困難。

對(duì)于運(yùn)行在采集能源下的無(wú)線電傳感器來(lái)說(shuō)，該限制是更重要的。通常能量采集轉(zhuǎn)換器比電池具有更高的輸出阻抗。在轉(zhuǎn)換器和傳感器之間的微功率管理層改變了供電特性，包括源阻抗。因此，在無(wú)線電收發(fā)器中的低峰值電流消耗減少了對(duì)無(wú)線傳感器的電源限制。

對(duì)于無(wú)線電發(fā)射器，PA的功耗會(huì)是非常大的。對(duì)于一個(gè)25米的自由空間范圍，許多802.15.4或藍(lán)牙無(wú)線電消耗了25mW~40mW，其中超過(guò)95%被浪費(fèi)了。圖2顯示比特能耗與某些針對(duì)25米自由空間范圍的可用解決方案的比較。對(duì)于電池或能量采集供電系統(tǒng)，最優(yōu)組合接近于左下角。

從發(fā)射器PA的角度來(lái)說(shuō)，主要參數(shù)來(lái)自于接收器。對(duì)于給定的范圍，其靈敏度規(guī)定了必須發(fā)射多大的功率。大多數(shù)無(wú)線電的靈敏度范圍在在–85dBm到–95dBm之間，導(dǎo)致了10倍的PA功耗。影響功耗的三種主要因素是接收器靈敏度、載波頻率和輸出阻抗。它們是相加的，對(duì)于相同的范圍，疊加在一起可出現(xiàn)超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的PA功耗變化。

圖3比較了常用無(wú)線電收發(fā)器的供電電壓、發(fā)射（TX）和接收（RX）功耗。其它IC級(jí)規(guī)范，如泄漏電流和喚醒時(shí)間，也會(huì)影響功耗。然而，對(duì)于極低的有效載荷數(shù)據(jù)速率，它們是關(guān)鍵的，它們的重要性可減少超過(guò)10bit/s的速率。

影響PA功耗的另一個(gè)重要參數(shù)就是輸出阻抗。大多數(shù)無(wú)線電的輸出阻抗低于100Ω。低阻抗僅僅是高輸出功率（長(zhǎng)距離）所需要的，但相比較高的輸出阻抗選項(xiàng)，它會(huì)導(dǎo)致高達(dá)五倍的電流消耗，而高輸出阻抗更適合于短距離無(wú)線互連應(yīng)用?？傊?，假設(shè)收發(fā)器靈敏度和PA效率相似，高阻抗900MHz無(wú)線電在它的PA中僅使用1mW，即可達(dá)到與使用25mW至40mW的50Ω 2.4GHz無(wú)線電相同的距離。

載波頻率的選擇是收發(fā)器的一個(gè)重要參數(shù)。在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）無(wú)線電頻帶中兩個(gè)可用選項(xiàng)為2.4GHz或sub-GHz頻率。對(duì)于此選擇，要考慮的某些因素為：范圍、功耗、數(shù)據(jù)速率、天線尺寸、互用性（標(biāo)準(zhǔn)）和全球部署。

Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee技術(shù)已大量推廣今天市場(chǎng)上廣泛使用的2.4GHz協(xié)議。然而，對(duì)于低功率和較低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，比如無(wú)線傳感器、無(wú)線醫(yī)療監(jiān)測(cè)、住宅安保/自動(dòng)化和智能測(cè)量，sub-GHz無(wú)線系統(tǒng)提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括了在給定功率下的更長(zhǎng)距離、更低的功耗和較低的配置和運(yùn)行成本。Sub-GHz載波頻率具有超過(guò)2.4GHz頻率的某些優(yōu)勢(shì)：

?距離和信號(hào)質(zhì)量。當(dāng)無(wú)線電波通過(guò)墻體和其它障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)減弱。在更高頻率上衰減率會(huì)增加，因此2.4GHz信號(hào)的減弱速度比sub-GHz信號(hào)更快。2.4GHz無(wú)線電波還比sub-GHz電波消失地更快，因?yàn)橹旅鼙砻鏁?huì)反射它們。在高度擁擠的環(huán)境中，2.4GHz傳播會(huì)快速減弱，從而負(fù)面影響信號(hào)質(zhì)量。

?根據(jù)頻率特性，生物組織會(huì)吸收RF的能量。低頻可以輕易穿透身體而不會(huì)被吸收，這意味著相比2.4GHz，sub-GHz鏈接具有更好的RF鏈接或消耗較少的功率。

?即使無(wú)線電波以直線傳輸，當(dāng)它們碰到固體邊緣（比如建筑物角落）時(shí)，它們也會(huì)轉(zhuǎn)向。因?yàn)轭l率減少，衍射角度會(huì)增加，允許sub-GHz信號(hào)在障礙物周圍進(jìn)一步轉(zhuǎn)向，減少了阻塞效應(yīng)。

Friis方程式證明了sub-GHz無(wú)線電的優(yōu)秀傳播特性，顯示出2.4GHz的路徑損耗比在900MHz的時(shí)候高8.5dB。對(duì)于900MHz無(wú)線電來(lái)說(shuō)，這可轉(zhuǎn)化為延長(zhǎng)2.67倍的距離，因?yàn)楣β拭吭黾?dB，傳輸范圍約增加一倍。如果要匹配900MHz無(wú)線電的范圍，2.4GHz解決方案將需要大于8.5dB的額外功率。

對(duì)于相同的鏈接配置，除了需要較高功率外，2.4GHz頻帶出現(xiàn)干擾的機(jī)會(huì)更大?？罩袛D滿了沖撞的2.4GHz信號(hào)，它們來(lái)自不同源，比如家庭和辦公室Wi-Fi集線器、啟用藍(lán)牙的計(jì)算機(jī)和手機(jī)外設(shè)以及微波爐。2.4GHz信號(hào)的擁堵產(chǎn)生了許多干擾。Sub-GHz ISM頻帶大多數(shù)用于專用的低占空比鏈接，不太可能相互干擾。更安靜的頻譜意味著更容易的傳輸，較少的重試，更高的效率并節(jié)省電池功率。

功率效率和系統(tǒng)范圍是接收器靈敏度加上傳輸頻率的函數(shù)。靈敏度與通道帶寬成反比，因而較窄的帶寬可以產(chǎn)生更高的接收器靈敏度并允許在較低的傳輸速率上有效運(yùn)行。

例如，在300MHz上，假如發(fā)射器和接收器的晶體誤差（XTAL偏差）均為10ppm（百萬(wàn)分之一），每個(gè)的誤差都為3kHz。對(duì)于有效傳送和接收應(yīng)用，最小通道帶寬為誤差率的兩倍，或6kHz，這是窄帶應(yīng)用的理想選擇。在2.4GHz上，相同情況需要48kHz的最小通道帶寬，浪費(fèi)了用于窄帶應(yīng)用的帶寬并需要大幅增加工作功率。

總之，運(yùn)行在較高頻率下的所有無(wú)線電電路，包括低噪聲放大器、功率放大器、混合器和合成器，需要更多的電流來(lái)達(dá)到與低頻裝置相同的性能。

距離、低干擾和低功耗是sub-GHz應(yīng)用超越2.4GHz應(yīng)用的基本優(yōu)勢(shì)。經(jīng)常講述的缺點(diǎn)之一就是天線尺寸比在2.4GHz網(wǎng)絡(luò)中使用的要大。對(duì)于433MHz應(yīng)用，最佳的天線尺寸，例如，會(huì)高達(dá)七英寸。然而，天線尺寸和頻率是成反比的。假如節(jié)點(diǎn)尺寸是一個(gè)重要設(shè)計(jì)要素，開(kāi)發(fā)人員可以提高頻率（高達(dá)950MHz），以便采用更小的天線。

無(wú)線傳感器的總體功耗不僅是物理層項(xiàng)的函數(shù)，比如無(wú)線電架構(gòu)、載波頻率和天線選擇，而且也是無(wú)線電需要運(yùn)行的時(shí)間量的函數(shù)，以便通過(guò)空氣傳送有效載荷數(shù)據(jù)。這取決于建立和保持通信鏈接的數(shù)據(jù)速率要求和協(xié)議開(kāi)銷。

數(shù)據(jù)速率是最重要的因素之一，規(guī)定了基于占空比的無(wú)線鏈接的功耗。平均功率幾乎與鏈接數(shù)據(jù)速率成反比。對(duì)于相同的有效載荷，100kbps無(wú)線電幾乎消耗50kbps無(wú)線電的一半功率。對(duì)于給定的有效載荷，較高的數(shù)據(jù)速率可視為改進(jìn)能源效率的方法。在比較RF收發(fā)器時(shí)，比特能耗是一個(gè)比電流消耗更好的指標(biāo)。但高數(shù)據(jù)速率無(wú)線電通常帶有較高的峰值電流。這些是非常不受歡迎的，對(duì)于大多數(shù)小型電池或能量采集器來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生了大的泄漏存儲(chǔ)電容，一般為數(shù)百μF。

在網(wǎng)絡(luò)層上，協(xié)議對(duì)平均功率預(yù)算有著重大影響。今天的標(biāo)準(zhǔn)，比如802.15.4（ZigBee）或Bluetooth，提供了高度復(fù)雜的鏈接和網(wǎng)絡(luò)層。但這些堆?？偣伯a(chǎn)生了50%~75%的無(wú)線電功耗和較大的開(kāi)銷。對(duì)于超低功率系統(tǒng)，“一體通用”的標(biāo)準(zhǔn)化選項(xiàng)通常不是最佳解決方案。相反，超低功率應(yīng)用應(yīng)該考慮使用優(yōu)化的協(xié)議來(lái)滿足它們的需求。

網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)要求也具有重大影響。用于監(jiān)聽(tīng)或探測(cè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)量是延遲的函數(shù)。低延遲意味著可連續(xù)或頻繁地進(jìn)行探測(cè)。在高負(fù)荷系統(tǒng)中，由于探測(cè)，接收器功率是功率預(yù)算的最大部分。例如，在802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，大約9%的系統(tǒng)功率用于接收。在更高載荷系統(tǒng)中，探測(cè)消耗的能耗可能不是主要的，但接收功率仍將超過(guò)RF預(yù)算的50%。對(duì)于實(shí)現(xiàn)超低功率RF遙測(cè)，最低的接收器功耗常常是必要的。

圖2 比特能耗與峰值功率的比較

圖3 某些可用的無(wú)線電收發(fā)器解決方案的工作電壓、TX和RX功率

圖4 使用ZL70251收發(fā)器的無(wú)線傳感器的平均功率和有效載荷數(shù)據(jù)速率的比較

美高森美的低功率無(wú)線電技術(shù)

美高森美是能提供多種解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商，這些方案包括超低功耗無(wú)線電和電源管理。ZL70251是美高森美的完全集成的超低功率sub-GHz ISM頻帶收發(fā)器，專門用于功率至關(guān)重要的應(yīng)用中。盡管它的功率非常低，但ZL70251仍然具有足夠的數(shù)據(jù)速率來(lái)支持語(yǔ)音或聲音通信。采用超過(guò)186kbps的數(shù)據(jù)速率，它具有足夠的帶寬來(lái)傳送連續(xù)的生物信號(hào)，比如ECG、電話品質(zhì)語(yǔ)音鏈接或更高品質(zhì)的聲音和某些ULP信號(hào)處理?？傮w功耗大約為4mW~5mW，足夠適合耳朵的足夠小的耳機(jī)工作超過(guò)10小時(shí)，并且使用薄膜電池的無(wú)線聽(tīng)診器貼片可連續(xù)監(jiān)測(cè)慢性呼吸道疾病或支持睡眠呼吸暫停的研究。

在超低功率RF技術(shù)是關(guān)鍵的應(yīng)用中，其中功率是非常重要的且有效載荷大于10bits/sec。先前的可穿戴式無(wú)線傳感器僅能用于緩慢變化的參數(shù)，而新的RF技術(shù)可以幫助觀察變化更快的生理參數(shù)，比如心臟和腦電活動(dòng)或血氧水平，它們要求大約0.5kbps至5kbps等級(jí)速率來(lái)提取有意義的波形?；赯L70251的無(wú)線身體傳感器消耗的電流平均小于100μA，使得薄膜電池乃至熱電能量采集器成為可行的電源選項(xiàng)。

ZL70251采用CSP封裝（大約2mm×3mm），也可以提供QFN封裝以方便組裝，同時(shí)將器件的外形尺寸保持在最小。ZL70251具有標(biāo)準(zhǔn)2線和SPI接口，用于任何標(biāo)準(zhǔn)微控制器的控制和數(shù)據(jù)傳送。這為客戶提供了挑選適合特定應(yīng)用的微控制器的選擇。

用作傳感器的ZL70251的典型使用如圖5所示

圖5 基于ZL70251的典型無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)圖

微控制器通常與ZL70251和專用傳感器或輸出設(shè)備相連接。例如，對(duì)于Lead-1 ECG，ULP模擬前端，輸出連接至運(yùn)行應(yīng)用和通訊協(xié)議的微控制器的ADC，其結(jié)果是形成了具有極低功率的無(wú)線ECG解決方案，因而它可以在CR系列鈕扣電池下連續(xù)運(yùn)行大約一個(gè)星期。某些其它類似超低功率參考設(shè)計(jì)也獲得了成功，包括3軸加速度計(jì)和脈搏-血氧計(jì)。

ZL70251具有行業(yè)最低的峰值電流之一，因而成為能源采集應(yīng)用的理想選擇，并且涵蓋了包括中國(guó)779MHz ISM頻帶的ISM頻帶。業(yè)界成功開(kāi)發(fā)了使用熱電 轉(zhuǎn)換器（TEG）的可測(cè)量身體溫度的無(wú)線可穿戴式傳感器原型。圖6顯示了此類傳感器的結(jié)構(gòu)，永遠(yuǎn)不需要更換電池。

圖 6 由能量采集器供電的無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

Sub-GHz ISM頻帶超低功率頻帶收發(fā)器，比如ZL70251，在市場(chǎng)空間中定位于能滿足嚴(yán)苛需求的應(yīng)用，比如由能量采集器供電的無(wú)線傳感器、針對(duì)可穿戴式無(wú)線醫(yī)療設(shè)備的生物信號(hào)（bio-signal）連續(xù)監(jiān)測(cè)、以及短程機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用中的感測(cè)應(yīng)用，這些應(yīng)用包括使用尖端的超低功率技術(shù)的WPAN和WBAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用區(qū)域。

編輯：jq