資深專家支招：RF系統(tǒng)設計需要考慮哪些因素 - 全文

　　作者：愛特梅爾公司 Jim Goings

　　簡介

　　今天可以使用的高集成度先進射頻設計可讓工程師設計出性能水平超過以往的RF系統(tǒng)，阻隔、靈敏度、頻率控制和基帶處理領域的最新進展正在影響RF系統(tǒng)架構設計，本文旨在探討某些參數(shù)特性，以及它們對系統(tǒng)性能的影響。

　　應對干擾

　　處于或接近所需工作頻率的有害 RF信號，可能影響接收器精確調制所需RF數(shù)據(jù)包的能力。根據(jù)干擾與系統(tǒng)載波頻率的接近程度，可以分為幾類：a） 帶內， b） 近帶和 c） 寬帶。采用不同的方法來減少各種類型干擾信號，以下列出常用的方法。

　　近帶和寬帶干擾

　　這種干擾抑制主要是改進射頻裝置的選擇性和阻隔特性，選擇性是描述射頻裝置在其它RF頻譜中選擇所需信號的能力。阻隔特性則描述IC器件忽略干擾或干涉信號，同時仍然接收所需RF信號的能力。在初期選擇過程，謹慎的工程師將密切關注射頻裝置的選擇性和阻隔特性。通常，這些參數(shù)被忽略，而RF系統(tǒng)性能受到影響。除了選擇具有強大的阻隔特性的射頻裝置，還有其它用于抑制近帶和寬帶干擾的方法。一個常用的方法是在接收器天線和RF前端之間添加一個SAW濾波器，這就具有帶通效應，可讓所需的信號以極小的衰減進入射頻裝置，同時使得干擾因素的衰減增加。一個433.92MHz SAW濾波器的典型帶通特性如圖1所示。

　　圖1. SAW濾波器的典型頻率響應

　　SAW濾波器提供的附加抑制不足以完全阻隔干擾，工程師應當考慮射頻裝置中間頻率的帶寬（IFBW），請參見圖2說明，并且考慮噪聲低于所需運作頻率200kHz左右，在這種情況下，366kHz的IFBW在角頻率下僅僅可使干擾衰減10dB，相反地，當使用25kHz IFBW時，干擾將會衰減56dB，如圖5所示。

　　圖 2. ATA5830器件在433.92MHz、IFBW = 366kHz下的阻隔特性

　　圖3. ATA5830器件在 433.92MHz、IFBW = 25kHz下的阻隔特性

　　過去，IFBW是由IC設計所固定的，然而，高性能RF器件，比如Atmel? ATA5830N和ATA5780N，可以通過使用一個EEPROM-based配置表來調節(jié)IFBW，用戶可配置IFBW范圍為25kHz至366kHz，并為工程師提供26種不同的IFBW設置。在優(yōu)化過程中，工程師應當確保所選擇的IFBW保持足夠寬的范圍，以便適應內部參考頻率的調制和容差帶來的接收器和發(fā)射器RF頻率的變化。來自意向幅射器（例如發(fā)射器）的RF信號包含了由于初始容差、溫度和老化造成的載波頻率錯誤項。除了接收器和發(fā)射器的晶體頻率容差的最差情形堆疊，選擇最小IFBW還必需考慮以合適的波特率傳輸RF數(shù)據(jù)包和進行調制所需的RF頻譜帶寬。

　　帶內干擾

　　在所需工作頻率范圍內的有害RF信號必需不同地處理，這是因為不可能在極強的干擾源和意向RF數(shù)據(jù)包之間進行區(qū)分。在這種情況下，冗余信息是緩減這個問題的唯一方法。今天有兩種傳送冗余信息的方法a） 時域冗余或 b） 時域和頻域冗余

　　時域冗余是今天最常用的架構，因為它具有簡單性和低成本。這種方法用于緩減間歇干擾源，通過以有限的時間量延遲來發(fā)送多個相同RF數(shù)據(jù)包的復本來實現(xiàn)（見圖4），這樣可以在RF系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器兩側使用單一載波頻率。然而，如果干擾連續(xù)存在，這種方法的效率低。隨著最新的先進的低成本集成射頻IC的推出，這種方法讓位于時間和頻率冗余方法。

　　圖4. 時域冗余

　　通過在現(xiàn)有的時域冗余中增添頻率通道坐標，如果干擾的頻譜占據(jù)較小的頻率范圍，可以完全避免連續(xù)的RF干擾，這種方法提供了很大的射頻性能改進，如圖5所示。時域以水平坐標來表示，顯示冗余的數(shù)據(jù)包以有限的時間延遲出現(xiàn)。頻域則在垂直坐標上表示，顯示冗余RF頻譜內容出現(xiàn)在不同的頻率上，例如，通道1-3。

　　
圖 5. 時域和頻域冗余

　　通道頻率間隔至少必需象基礎RF數(shù)據(jù)包的RF頻譜一樣寬，以便防止通道交疊。使用愛特梅爾ATA5830N和ATA5780N器件，建議至少使用兩倍于IFBW的通道間隔，在今天的汽車遙控和無源無匙門禁系統(tǒng)中，通道間隔范圍通常為400kHz至450kHz。

　　影響選擇RF數(shù)據(jù)包在時域中的延遲間隔的因素包括a） 改變通道頻率的穩(wěn)定時間， b） RF載波“ON”時間的平均值管理和c）總體系統(tǒng)響應時間。通常，通道頻率穩(wěn)定時間低至1ms，僅僅為第二等級問題。主要因素是管理RF能量，以便優(yōu)化頻率范圍，同時滿足當?shù)胤ㄒ?guī)要求。通過占空比平均，如果平均功率下降低于當?shù)胤ㄒ?guī)機構的閾值，可以傳輸較高峰值RF功率水平。顯然，較高的輸出功率可讓RF系統(tǒng)實現(xiàn)更大的傳輸范圍。

　　通過采用高端射頻架構可以實現(xiàn)多通道運作，使用一個fractional-N PLL來建立RF系統(tǒng)的接收器和發(fā)射器模塊所需的RF頻率。使用這些器件提供的可編程架構，可以簡便地開發(fā)一個能夠快速準確地改變中心工作頻率（例如通道）的接收器。隨著消費者需要更強大的運作性能，這些先進的設計很快成為用于汽車門禁系統(tǒng)的首選RF系統(tǒng)架構。

　　RF調制

　　了解幅移鍵控法（ASK）和開關鍵控法（OOK）是不可互換的項目是很重要的，ASK是幅度調制（AM）的特殊情況，而OOK可被視為開關選通的RF載波，仔細研究 ASK和 OOK等式可以發(fā)現(xiàn)這些基礎的區(qū)別。

　　幅度調制：

　　注：Asin（ωt） 是具有幅度A的RF載波；m（t） 是數(shù)值范圍在-1和+1之間的調制信號，通常為正弦波；a 是數(shù)值在0和1之間的調制指數(shù)；最大幅度為2A

　　幅移鍵控調制（AM的特殊情況）：
　　

　　注：ASK 在幅度調制等式具有以下條件的情況下出現(xiàn)：調制信號、m（t）、是方波，數(shù)值范圍為-1和 +1之間；調制指數(shù)a 為1；最大幅度為2A

　　開/ 關鍵控調制：

　　注：Asin（ωt） 是具有幅度A的RF載波；g（t） 是具有數(shù)值1而開啟或具有數(shù)值0而關斷的選通信號；最大幅度為1A。

　　雖然ASK和OOK似乎具有相同的外形，重要的是注意ASK信號的幅度是其OOK對等信號的兩倍，這意味著使用ASK調制輸入進行接收器靈敏度測量時，對于使用OKK調制信號來測量相同的接收器，將會產生優(yōu)勝6dB的數(shù)值。在實際中，汽車RKE和PKE系統(tǒng)使用OOK。

　　選擇OOK或FSK調制對于接收器在干擾和干擾臺信號中運作的能力有著隱含影響，通常，對于OOK接收器，如果干擾低于所需RF信號10dB至12dB，解調制錯誤（BER = 10-3）將開始出現(xiàn)。在使用FSK的情況下，解調制錯誤出現(xiàn)的RF干擾必需更大。通常，通常在低于有用信號4dB至6dB的情況下（η = 1），這表示在干擾中間FSK調制相對于OOK調制具有更穩(wěn)健的性能優(yōu)勢。

　　RF載波頻率

　　關于何種載波頻帶在汽車遙控和被動無匙門禁系統(tǒng)中提供最佳性能的論題方面有著很多的爭議，包括高頻帶（868-915MHz）或低頻帶（315-434MHz）。要解答這個問題，需要更多地了解每種頻帶的基礎特性。

　　一個指標是考慮地區(qū)管理機構允許的輸出功率，通常，高頻帶允許較高的幅射發(fā)射功率，可以帶來更大的系統(tǒng)傳輸范圍。然而，這是一把“雙刃劍”，因為一個意想不至的后果是來自相同頻譜中其它大功率應用的干擾的出現(xiàn)。很重要的是留意大功率干擾也出現(xiàn)在低頻帶中。然而，在高頻帶中較大幅度干擾似乎比低頻帶中嚴重，這是合理的。

　　另一個考慮因素是RF路徑損耗，它隨著頻率增加而增加。為了補償較高的路徑損耗，必需提高發(fā)射器的有效幅射功率，只有通過選擇具有較高輸出功率能力的發(fā)射器，或者使用具有較高效率的天線，才能做到這一點。在分析RF鏈路預算的路徑損耗、發(fā)射功率和天線效率時，可能得出在高頻帶下較高發(fā)射功率將會對系統(tǒng)的運作范圍產生邊際影響的優(yōu)勢。

　　顯然，高頻帶運作的主要優(yōu)勢是能夠使用很小的物理尺寸來實現(xiàn)高效的天線（雙極），這是因為波長比低頻帶情況縮短兩到三倍。這不僅對于手持式遙控鎖匙應用非常有吸引力的，還對汽車應用具有吸引力。然而，高頻帶RF系統(tǒng)往往在較多的方向上傳播，可能無法提供圍繞汽車輪廓的低頻帶系統(tǒng)的一致性性能。

　　最后，重要的一點是高頻帶或低頻帶運作的選擇是參考頻率晶體的規(guī)范和射頻裝置所需的相關容差，這可能對高頻帶和低頻帶系統(tǒng)的成本和性能產生重大的影響，參見以下示例描述。

　　示例1：

　　如果演算一個具有150PPM頻率容差的典型晶體對于在915MHz下的高頻帶發(fā)射器應用的影響，所得到的頻率容差是±137.25kHz，然而，將相同的150PPM晶體容差應用于315MHz的低頻帶發(fā)射器應用，所得到的頻率容差則降至±47.25kHz。顯然，高頻帶應用所需的IFBW大約比低頻帶應用增大三倍，以便捕獲發(fā)射頻譜的更大范圍的變化。由于接收器靈敏度通常與其IFBW成反比，通過減小系統(tǒng)的運作范圍，可以減小高頻帶系統(tǒng)的敏感性并影響性能。

　　示例2：

　　為了緩減這種效應，選擇具有50PPM的較低容差的晶體用于高頻帶應用，這可將915MHz下的頻率容差從±137.25kHz減小至±45.75kHz?，F(xiàn)在，可以選擇在315MHz 下具有相當于±47.25kHz性能的IFBW，但是，代價是較高精度的參考頻率晶體和其相關成本。

　　結論

　　近年來，高集成度射頻裝置的設計和可用性進步變得更為普遍，為了實現(xiàn)這些近期發(fā)展的最大優(yōu)勢，工程師值得花費精力來重新考慮今天RF系統(tǒng)的架構。本文旨在重新研究基礎的系統(tǒng)運作考慮因素，比如干擾、調制和頻率選擇，并且根據(jù)愛特梅爾ATA5830N發(fā)射器和Atmel ATA5780N接收器等新型射頻器件來加以探討。