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基于Zigbee的CMOS无线射频芯片的设想考虑

2014-08-29 15:13
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本文将以2.4GHz IEEE 802.15.4射频收发器(合用于Zigbee尺度,RF4CE则是基于Zigbee的遥控器使用规范)为例,引见超低功率CMOS无线射频芯片的设想概要,从电路设想到系统概念,申明芯片设想和使用过程中需要考虑的处所。该芯片的设想考虑必需涵盖通信尺度规格、电路的行为模式。在领受部门,引见了2.4GHz射频信号从天线领受后,进入LNA放大信号,经由混频器、滤波器、限幅器、领受端信号强度唆使器(RSSI),最后达到数字解调器,然后把领受数据存入RX-FIFO。另一方面,TX-FIFO内的数字消息颠末VCO与双点不同积分调制器调制,把调制后的射频信号经由功率放大器(PA)放大,最后经由天线辐射出去。

  Zigbee调制编制与PA设想考虑
  2.4GHz Zigbee尺度定义250kbps展频(DSSS)数据传输速度,并采用偏移四相移键调制加半正弦脉波整型调制编制,其等效于最小频移键调制(MSK)。相对于相移键调制(PSK)或正交分频多任务(OFDM),MSK是一种恒包络的调制编制,因而能够选用线性度不高但效率较高的PA以降低TX功耗。

  TX发射器设想考虑

  数字调制系统中,IQ调制是一种常见的架构。该架构将被调制的信号分成IQ成分,经由半正弦脉波整型及数字模仿转换器(DAC)转成模仿IQ信号,再经由四相混频器升频至RF信号。由于IQ信号使用数字电路完成,所以有较精确的调制指数,其错误谬误是需要较多的电路。

  另一方面,由于2.4GHz Zigbee调制等效于MSK,而MSK可视为频移键调制(FSK)的一种,所以能够把持压控振荡器(VCO)来完成频移。由于不需要混频器等电路,所以得以降低电路复杂度及功耗。VCO调制设想有两种,一种为开回路,另一种为闭回路。开回路调制间接把持数据节制VCO频次,而未使用锁相环(PLL)或将PLL断开。多么虽可具有较低功耗,但因频次未被锁住,会有恼人的频漂问题。

  相对而言,闭回路系统凡是采用delta-sigma调制,其方式是改变PLL除频器的除数,进而改变锁相频次。这类方式的VCO频次是牢牢被锁住的,能够处理频漂的问题,但由于遭到回路频宽的限制,它凡是合用于低数据率的系统。若要把持闭回路架构达到高数据率,能够采用双点不同积分调制器,即在不同积分调制上插手VCO调制。数据经由不同积分调制的路径上有低通的成果,即高频数据会被滤掉。相对地,在VCO调制的路径上有高通的成果。两者互补的成果,就可完整地调制数据。

  值得留意的是,VCO的电压对频次转换曲线,会因半导体工艺而有变异,因而需要额外的校正电路来校正频移量。若设想的VCO有较线性的电压对频次转换曲线,则可大大降低校正电路的复杂度。

  RX领受器设想考虑

  零中频及低中频是易于完成集成型领受器的两种架构。零中频领受器是将RF信号降频至基频,然后用模仿数字转换器(ADC)转成数字信号,再用数字信号处置器(DSP)将数据解调出来。由于中几次率为零,因而信道选择只需要用低Q值的低通滤波器(其耗损电流也相对较小)。但零中频领受器也有一些错误谬误,例如直流偏移及明灭噪声。为处理这些问题,必需添加额外电路,并功耗。

  低中频领受器则是将RF信号降至得当的中频,以缓解上述直流偏移及明灭噪声等问题。可是低中频领受器具有映像干扰的问题,因而低中频领受器需要映像遏止滤波器,此外信道选择滤波器必需采用带通滤波器(BPF),这使得滤波器所需的Q值较高,也比力耗电。

  与ODFM或PSK比拟,FSK(或MSK)系统的最大劣势是简单的解调器。简单的解调器也代表了较低功耗设想。FSK调制可用非同调整调。非同调整调器不需解调载波、不需要模仿数字转换器(ADC),也不需ADC之前的线性放大器或主动增益放大器(AGC),从而可大幅降低电路复杂度及功耗。但非同调整调的活络度比同调整调略差1.5dB,所以解调器的选择需依芯片领受活络度设想方针来选择。