基于Sub-GHz技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　引言

　　物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展離不開(kāi)無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、Zibgee、Wifi等，而Sub-GHz技術(shù)由于其長(zhǎng)距離傳輸?shù)奶匦院土己玫拇┩改芰?，?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/物聯(lián)網(wǎng)">物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中也具有非常重要的地位。

　　Sub-GHz指通信頻率在1Gz以下，數(shù)據(jù)傳輸率在幾Kbps到幾百Kbps范圍內(nèi)的無(wú)線通信技術(shù)。由于其通訊波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以達(dá)到幾百米甚至幾公里的通訊距離，在工業(yè)農(nóng)業(yè)監(jiān)控、安防和智能抄表領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。Sub-GHz對(duì)于電路設(shè)計(jì)有較高的要求，不良的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)無(wú)線通信質(zhì)量造成很大的影響，本文將基于ROHM旗下LAPIS半導(dǎo)體最新的Sub-GHz無(wú)線通信芯片，淺談其設(shè)計(jì)和測(cè)試相關(guān)注意事項(xiàng)。

　　1設(shè)計(jì)

　　好的設(shè)計(jì)是成功的一半，主要包括電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。

　　2電路設(shè)計(jì)

　　建議電路布局與參考電路保持一致。天線的設(shè)計(jì)也要基于原廠的推薦電路(Pattern Antenna)或天線廠商(Chip Antenna)。大部分天線配置為λ/4天線，保持GND區(qū)域的方向和尺寸。主時(shí)鐘晶振盡量選擇高規(guī)格的，否則會(huì)影響接收靈敏度。RF電路使用的電感和電容應(yīng)該有好的溫度特性，尤其是電感應(yīng)該用繞線式而不是層疊式，不然會(huì)造成信號(hào)損耗。

　　2.1 PCB設(shè)計(jì)

　　GND非常重要，需要增強(qiáng)。如果GND弱，會(huì)對(duì)發(fā)射端的雜波散射、相鄰信道功率(ACP)以及接收端的靈敏度、雜波響應(yīng)、RSSI檢測(cè)電平造成影響。芯片底部的GND使用過(guò)孔增強(qiáng)，且過(guò)孔的數(shù)量應(yīng)該大于12(如圖1)。 GND走線應(yīng)盡量寬，對(duì)于兩層板，底層應(yīng)該幾乎全部鋪地。VCO和環(huán)路濾波器電路的走線要盡量短，因?yàn)檫@些電路極易被干擾，最好四周用GND信號(hào)包圍。任何信號(hào)不要在RF電路下走線，給內(nèi)部PA供電的電源線要用其它信號(hào)隔離。

　　圖1 芯片底部GND使用過(guò)孔增強(qiáng)

　　RF線阻抗應(yīng)為50ohm，使用類(lèi)似AppCAD軟件計(jì)算50ohm線。設(shè)定好基板材料(介電常數(shù))、層厚、線寬和頻率，軟件可自動(dòng)計(jì)算出阻抗。

　　3校準(zhǔn)

　　如果設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品沒(méi)有達(dá)到要求的性能，則需要進(jìn)行校準(zhǔn)。在評(píng)估前，通常需要校準(zhǔn)VCO振蕩頻率和主時(shí)鐘精度。如果有網(wǎng)絡(luò)分析儀，可使用史密斯圖做RF匹配，天線的阻抗也需要測(cè)量。另外為了滿(mǎn)足無(wú)線規(guī)范，雜波電平也需要調(diào)整。

　　3.1 VCO校準(zhǔn)

　　VCO(壓控振蕩器)定義了振蕩頻率范圍，如果VCO未準(zhǔn)確校準(zhǔn)將不能正常通信。

　　VCO振蕩頻率計(jì)算公式為：

　　F = 1/(2π(LC)1/2)

　　振蕩頻率由外部的電感、電容(包括PCB寄生電容和芯片內(nèi)部可變電容)定義。VCO校準(zhǔn)需要從可變電容中選擇最優(yōu)的電容值，來(lái)對(duì)應(yīng)特定的振蕩頻率。如果振蕩頻率范圍超出了使用頻率，則意味著PPL未鎖定，需要調(diào)整外部的電感或電容。

　　通常芯片都內(nèi)置了VCO校準(zhǔn)寄存器，在初始化時(shí)，可以通過(guò)讀取寄存器值進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　3.2 OSC校準(zhǔn)

　　OSC頻率規(guī)定了載波頻率的容限值，校準(zhǔn)的目標(biāo)是頻率誤差盡可能為0ppm。載波頻率容限需要在使用的頻道帶寬范圍內(nèi)，如果載波頻率超出了頻道帶寬，則芯片的自動(dòng)頻率校正(AFC)不能正常工作。

　　通過(guò)內(nèi)部寄存器調(diào)整OSC負(fù)載電容的容值可以對(duì)振蕩頻率精度進(jìn)行校準(zhǔn)。需要注意的是，如果使用寬的OSC容限值，需要選擇更寬的信道帶寬，但會(huì)降低接收靈敏度。

　　3.3 RF匹配

　　RF匹配是為了最有效的傳輸射頻信號(hào)。RF匹配電路通過(guò)調(diào)整天線和RF芯片的阻抗來(lái)抑制信號(hào)反射。

　　通常使用Smith圖調(diào)整RF匹配電路。RF電路由電感L和電容C構(gòu)成，使用“并聯(lián)”和“串聯(lián)”連接電路，有四種匹配方式：并聯(lián)電感、串聯(lián)電感、并聯(lián)電容、串聯(lián)電容。

　　圖2 Smith圖

　　如果使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，可簡(jiǎn)單快速的進(jìn)行阻抗匹配。當(dāng)然，芯片廠商也提供了一些校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整電路的器件參數(shù)進(jìn)行阻抗匹配。

　　3.4雜散波校準(zhǔn)

　　為了滿(mǎn)足EMC/EMI要求，需要設(shè)計(jì)濾波電路對(duì)雜波(諧波)進(jìn)行抑制。通常使用LC串聯(lián)的陷波器電路抑制一次諧波，使用低通濾波器(LPF)來(lái)抑制二次及以上諧波。

　　4測(cè)試

　　嚴(yán)格的測(cè)試對(duì)于好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不可或缺的，除了基本通信功能的測(cè)試，還包括載波頻率、發(fā)射功率、接收靈敏度、消耗電流等性能測(cè)試。

　　4.1載波頻率/發(fā)射功率/諧波/發(fā)射電流

　　使用頻譜分析儀可測(cè)試載波頻率、發(fā)射功率和諧波。載波頻率應(yīng)該在芯片允許的ppm值范圍內(nèi)，且頻偏應(yīng)小于最小頻道濾波帶寬。發(fā)射功率應(yīng)該與設(shè)定值相當(dāng)，如果偏差過(guò)大，應(yīng)檢查寄存器設(shè)置或調(diào)整外圍電路參數(shù)。諧波散射值應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)值，且該值越小越好。

　　發(fā)射電流一般在最大發(fā)射功率時(shí)測(cè)得，其受發(fā)射端匹配影響，如果值偏大多數(shù)由測(cè)量方法引起，如天線端開(kāi)路等。

　　4.2接收靈敏度/接收電流

　　接收靈敏度通常是指在特定數(shù)據(jù)波特率下，滿(mǎn)足1%的誤碼率，產(chǎn)品所能接收到的最低強(qiáng)度的信號(hào)。

　　精確的接收靈敏度測(cè)量可使用信號(hào)發(fā)生器，現(xiàn)在高端的信號(hào)發(fā)生器都集成了誤碼率測(cè)試功能，設(shè)定好對(duì)應(yīng)的參數(shù)就可以自動(dòng)測(cè)量接收靈敏度。簡(jiǎn)單的方法也可以通過(guò)示波器觀察接收端的數(shù)據(jù)，但考慮到信號(hào)干擾，獲得的值一般要比實(shí)際差一些。有些芯片內(nèi)置了BER測(cè)試功能，通過(guò)讀取內(nèi)置寄存器也可以進(jìn)行測(cè)量。

　　接收電流的測(cè)量比較簡(jiǎn)單，將接收一直打開(kāi)，測(cè)量電源上的消耗電流即可。需注意的是，如果使用DIO輸出，電流會(huì)因?yàn)镚PIO的負(fù)載而增加。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　通常芯片原廠提供的評(píng)估板都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的驗(yàn)證和測(cè)試，可以最優(yōu)的體現(xiàn)芯片的功能和性能。在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，建議盡量參考原廠的設(shè)計(jì)，包括外圍元器件的參數(shù)選擇。另外，原廠一般也會(huì)提供配套的上位機(jī)軟件，可以很方便的進(jìn)行產(chǎn)品的功能和性能測(cè)試。合理的利用現(xiàn)有資源，可以減少設(shè)計(jì)流程，提高產(chǎn)品的可靠性，降低量產(chǎn)成本。

　　作者：劉翔 ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司&設(shè)計(jì)中心LAPIS組助理經(jīng)理