用于无线遥控的RF技术的设计介绍

无线正迅速成为人机界面的首选技术。用户更频繁地需要能够波动远程控制单元以对系统进行更改。本文介绍了可用于无线遥控的RF技术，从Zigbee RF4CE到无钥匙进入系统。

遥控器正在发生变化。它们不再是简单的红外键盘，而是整个工业系统设计中越来越重要的元素。明显更长的距离并且不需要视线，这有助于遥控器无线电的普及。

所有这些主要是由无线技术的改进，特别是电池寿命的推动，以及处理新协议的处理能力和遥控器转移到无线电所需的安全性。

Zigbee变体RF4CE等新协议允许主流工业和家庭自动化无线网络技术用于远程控制，将批量生产和领先的硅处理技术的优势带入细分市场。但是，高效低数据速率RF设备有更多机会提供低功耗和长电池寿命，这对于远程控制应用至关重要。较低的频率允许较长的范围或相同的范围和较低的功率，因此提高电池寿命。

由于这些器件比2.4 GHz Zigbee设计更简单，因此它们可以实现更高的集成度，通过减少外部元件来降低功耗，降低芯片移动的功耗，并通过更高的集成度和体积降低成本。这反过来有助于将更多远程控制驱动到诸如无钥匙进入系统之类的应用中，以取代日常锁。

Silicon Labs开发了片上系统（SoC）发送器，如Si4010单片机遥控集成电路（IC），大大简化了遥控器设计过程，减少了系统物料清单（BOM） ）通过消除对众多分立元件的需求而降低成本。

图1：RF遥控器的简化框图。

所有RF遥控器都具有共同的功能，如图1中的简化框图所示.RF遥控器的基本组件是用户输入命令的按钮，用于处理用户命令的微控制器单元（MCU）数字信息，用于调制和发送信息的RF发送器（RF TX），天线和电池，为遥控器提供电源。制造商在设计射频遥控器时面临的共同挑战是提供一致的最大传输范围，确保较长的电池寿命，并保持较低的系统成本。

最大化传输范围涉及传输尽可能多的功率，同时为接收器提供出色的灵敏度。

从遥控器方面，设计目标是将RF输出功率设置为政府限制，允许制造公差和用户对输出功率的影响。这可以降低遥控器的有效辐射功率（ERP），并使输出功率低于极限6 dB并使范围减半。

图2：Si4010天线调谐框图。

Silicon Labs Si4010变送器是业界首款单芯片远程控制IC，仅需一个外部旁路电容，印刷电路板（PCB），电池和带按钮的外壳，形成完整的遥控器。它包括一个获得专利的天线调谐电路，可以自动微调天线，以便在每次按下按钮时获得最佳发射功率，以补偿这些真实世界的变化。

这是通过调整片上可变电容来与天线的电感共振来实现的，以最大化遥控器的发射功率。它还具有通过放宽PCB天线的制造公差来降低设计成本的好处。

功率放大器（PA）中还包含一个额外的反馈环路，通过监测PA输出端的电压并调节PA的电流驱动来维持恒定的输出功率，以补偿天线阻抗的变化。该反馈回路用于在温度变化和“手部效应”的情况下保持恒定的输出功率，如上所述，当人的手覆盖遥控器时，其改变天线阻抗。天线调谐的最终结果是在每个按钮按压时提供始终如一的可靠和最佳性能，同时降低RF匹配要求的成本和设计复杂性。

当遥控器等待输入时的静态功率是此类设计的关键指标，而Si4010在室温下的功耗不到10 nA。这有助于通过触摸唤醒GPIO端口来进一步降低遥控器的电流消耗并延长电池寿命。

在传输过程中，Si4010在开关键控（OOK）模式下消耗14.2 mA，在频移键控（FSK）模式下消耗19.8 mA，同时以+10 dBm输出功率进行传输。对于1 kBaud的数据速率，每个数据包长100位，每按一次按钮重复三次，我们得到以下结果：连续五年每天按50次按钮，我们只使用52％的费用在OOK模式下的220 mAhr CR2032电池和FSK模式下71％的电量。

例如，飞思卡尔开发了一款评估板，ZSTAR3将多个数字和模拟加速度计板与RF ZigBee 2.4 GHz通信链路相结合，连接到连接到PC的单个USB节点。

USB节点是ZSTAR设计的关键部分，因为它提供了支持多个节点的专用软件。

图3：Xstar3远程控制评估套件。

该软件展示了MMA7660FC加速度计的内置智能，适用于具有定向，摇动，分接检测，自动唤醒和自动睡眠的应用。这链接到MC1321x 2.4 GHz低功耗收发器，该收发器与S08微控制器组合在一个封装中。组合的收发器和调制解调器具有16个可选通道，以避免来自其他2.4 GHz信号源（如微波和WiFi）的干扰，以及具有多种省电模式的可编程输出电源，以充分利用遥控器的电池。因此，它采用片内稳压器工作在2 V至3.4 V，以提供RF电压。

Atmel还拥有用于IEEE 802.15.4 ZigBee RF4CE应用的高性能RF-CMOS 2.4 GHz无线电收发器以及其他ISM频段的设计。

它专注于接收器灵敏度为-101 dBm的104 dB链路预算，以降低遥控器的输出功率和电池寿命。输出功率可在-17 dBm至+3 dBm范围内编程，并具有易于使用的接口，可通过快速SPI线路访问寄存器，帧缓冲器和AES加密。这意味着只需要两个微控制器GPIO线和一个来自无线电收发器的中断引脚。收发器包括用于数据缓冲的128字节FIFO（SRAM）以及集成的Rx/Tx开关和可编程时钟输出。这可用于为主机微控制器提供时钟或用作定时器参考。

有IEEE 802.15.4-2006标准的特殊硬件支持以及MAC硬件加速器。

Ember一直处于Zigbee网络发展的最前沿，其EM250是一款单芯片解决方案，集成了2.4 GHz，符合IEEE 802.15.4标准的收发器和16位XAP2b微处理器。

收发器使用的有效架构超出了IEEE 802.15.4-2003标准规定的动态范围要求超过15 dB。集成的接收信道滤波允许与2.4GHz频谱中的其他通信标准共存，例如IEEE 802.11g和蓝牙。集成稳压器，VCO，环路滤波器和功率放大器可将外部元件数量保持在较低水平。

图4：Ember EM250 Zigbee收发器。

XAP2b微处理器是集成在EM250中的功耗优化内核。它支持两种不同的操作模式 - 系统模式和应用模式。 EmberZNet堆栈在系统模式下运行，可以完全访问芯片的所有区域。应用程序代码在应用程序模式下运行，对EM250资源的访问受限;这允许应用程序开发者调度事件，同时防止修改存储器和寄存器的受限区域。该架构可提高部署解决方案的稳定性和可靠性。

EM250具有128 kB的嵌入式闪存和5 kB的集成RAM，用于存储数据和程序。

为了保持ZigBee和IEEE 802.15.4-2003标准规定的严格时序要求，EM250将许多MAC功能集成到硬件中。 MAC硬件处理自动ACK发送和接收，自动退避延迟以及用于传输的空闲信道评估，以及自动过滤接收的分组。此外，EM250通过集成数据包跟踪接口实现真正的MAC级调试。

为了支持用户定义的应用，集成了许多外设，如GPIO，UART，SPI，I2C，ADC和通用定时器。此外，还提供集成稳压器，上电复位电路，睡眠定时器和低功耗睡眠模式。深度睡眠模式消耗不到1μA，使产品可以实现较长的电池寿命。

最后，EM250使用非侵入式SIF模块进行功能强大的软件调试和XAP2b微控制器编程。

并非所有远程控制选项都与Zigbee协议或2.4 GHz频段配合使用。 ADI公司开发了一款低功耗，高度集成的FSK/ASK/OOK收发器，设计用于433 MHz，868 MHz和915 MHz的免许可ISM频段，以及拟议的950 MHz日本频段。

低功耗和低数据速率是安全遥控设计的理想选择，ADF7020的可编程输出功率为-16 dBm至+13 dBm，步长为0.3 dBm。

高斯数据滤波器选项可用于GFSK或G-ASK调制，可提供更高频谱效率的调制，从而将功耗降至最低。 ADF7020还可用于执行MSK和GMSK调制，其中MSK是FSK的特殊情况，调制指数为0.5。

图5：ADI公司的ADF7020收发器IC。

在接收器（200 kHz）中使用低IF架构，以最大限度地降低功耗和外部元件数量，并避免低频干扰问题。接收器还具有正在申请专利的自动频率控制（AFC）环路，允许PLL跟踪输入信号中的频率误差。

片内ADC提供集成温度传感器，外部模拟输入，电池电压或RSSI信号的回读，可在某些应用中节省ADC。还有更简单的协议可用于远程控制。 Maxim的MAX7032基于晶体的小数N分频收发器设计用于在300 MHz至450 MHz频率范围内发送和接收ASK/OOK或FSK数据，数据速率高达33 kbps（曼彻斯特编码）或66 kbps（NRZ编码）。它在50Ω负载下产生+10 dBm的典型输出功率，ASK数据的典型灵敏度为-114 dBm，FSK数据的灵敏度为-110 dBm。 MAX7032具有独立的发送和接收引脚，并提供内部RF开关，可用于将发送和接收引脚连接到公共天线。

MAX7032的一个关键点是发送频率由16位小数N分频锁相环（PLL）产生，而接收器的本振（LO）由整数N PLL产生。这种混合架构无需单独的发送和接收晶体参考振荡器，因为小数N分频PLL允许将发射频率设置在接收频率的2 kHz范围内。小数N分频PLL的12位分辨率允许以fXTAL/4096为步长对晶体频率进行倍频。这避免了小数N分频PLL的更高电流消耗要求，并使接收器电流消耗尽可能低。

这也意味着可以对发送FSK信号进行编程以确保精确的频率偏差，并完全消除与振荡器拉动FSK信号产生相关的问题。所有频率生成组件都集成在芯片上，只需要一个晶体，一个10.7 MHz IF滤波器和一些分立元件来实现完整的天线/数字数据解决方案，用于双向遥控无钥匙进入和遥控。

CMOS的发展使功耗降低到高度集成的RF收发器可用于远程控制应用的程度。从运行在ISM频段的简单协议到更复杂的高级协议（如2.4 GHz的Zigbee），设计人员可以通过无线技术增强人机界面。结果