低功率CMOS無(wú)線(xiàn)射頻芯片設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)通訊市場(chǎng)的趨勢(shì)一直朝向低成本、低消耗功率、小體積等目標(biāo)。短距離裝置產(chǎn)品（Short-RangeDevices ）更在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（sensor network） 概念的推波助瀾下，帶動(dòng)了射頻芯片（RF IC）的需求量大增，射頻收發(fā)器 （TRX）要達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)，低電壓工作是必要條件，然而，電路的效能與工作電壓有關(guān)，在兼顧到效能與低功耗之間，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，RF IC之制作技術(shù)日新月異。高速、低功率組件更是眾所矚目之焦點(diǎn)，目前0.13um RF CMOS工藝的晶體管，fT 值可達(dá)到60 GHz，這表示CMOS晶體管有足夠的能力來(lái)處理高頻信號(hào)，所以產(chǎn)業(yè)界的主流幾乎以RF CMOS 技術(shù)，致力于低功率RF IC的優(yōu)化與研究。

　　本文將以笙科電子的2.4GHz IEEE 802.15.4 射頻收發(fā)器 （適用于 Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)，RF4CE則是基于Zigbee的遙控器應(yīng)用規(guī)范） 為例，介紹超低功率CMOS無(wú)線(xiàn)射頻芯片的設(shè)計(jì)概要，從電路設(shè)計(jì)到系統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，向讀者說(shuō)明芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要考慮的地方。該芯片設(shè)計(jì)考慮必須涵蓋，通訊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、電路的行為模式。在接收部分，介紹了2.4GHz 射頻信號(hào)從天線(xiàn)接收后，進(jìn)入LNA放大信號(hào)，經(jīng)由Mixer，F(xiàn)ilter，Limiter，RSSI，最后到達(dá)數(shù)字解調(diào)器，最后把接收數(shù)據(jù)存入RX-FIFO。另一方面，TX-FIFO內(nèi)的數(shù)字信息經(jīng)過(guò)VCO與雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器（two-point delta-sigma modulation） 調(diào)變，把調(diào)變后的射頻信號(hào)透過(guò)PA放大，最后經(jīng)由天線(xiàn)輻射出去，本文亦會(huì)從系統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，提出天線(xiàn)與PCB硬件設(shè)計(jì)重點(diǎn)，加上軟件控制，協(xié)助讀者理解如何透過(guò)A7153實(shí)現(xiàn)低功耗的Zigbee 或 RF4CE射頻網(wǎng)絡(luò)。

　　Zigbee 調(diào)變方式與PA設(shè)計(jì)的考慮

　　2.4GHz Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)定義250kbps展頻（DSSS）數(shù)據(jù)傳輸速率，并采用偏移四相移鍵調(diào)變加半正弦脈波整型調(diào)變方式（Offset-QPSK with half-sine pulse shaping），其等效于最小頻移鍵調(diào)變（MSK）。MSK相較于相移鍵調(diào)變（PSK）或正交分頻多任務(wù)（OFDM），是一種恒包絡(luò)（constant envelope）的調(diào)變方式，因此可以選用線(xiàn)性度不高但效率較高的功率放大器，以降低TX功耗。

　　TX發(fā)射器設(shè)計(jì)考慮

　　數(shù)字調(diào)變系統(tǒng)中，IQ調(diào)變是一種常見(jiàn)的架構(gòu)。該架構(gòu)將調(diào)變的Data分成IQ成分，經(jīng)由半正弦脈波整型及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)成模擬IQ訊號(hào)。再透過(guò)四相混頻器（quadrature mixer）升頻至RF訊號(hào)。由于IQ訊號(hào)使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，因此有較準(zhǔn)確的調(diào)變指數(shù)（modulation index），缺點(diǎn)是需要較多的電路。

　　另一方面，由于2.4GHz Zigbee調(diào)變等效于MSK，而MSK可視為頻移鍵調(diào)變（FSK）的一種，因此可以利用壓控振蕩器（VCO）來(lái)實(shí)現(xiàn)頻移。由于不需要混頻器等電路，因此得以降低電路復(fù)雜度及功耗。VCO調(diào)變?cè)O(shè)計(jì)有兩種，其一為開(kāi)回路（open loop），其二為閉回路（close loop）。開(kāi)回路調(diào)變直接利用數(shù)據(jù)控制VCO頻率，而未使用鎖相回路（PLL）或?qū)�PLL斷開(kāi)。這樣雖可擁有較低功耗，但因頻率未被鎖住，會(huì)有惱人的頻漂（frequency drift）問(wèn)題。

　　相對(duì)而言，閉回路系統(tǒng)通常采用delta-sigma modulation，它的方法是改變PLL除頻器的除數(shù)，進(jìn)而改變鎖相頻率，其結(jié)果的VCO頻率是牢牢被鎖住的，因此可以解決頻漂的問(wèn)題。但是受到回路頻寬（loop band-width）的限制，通常適用于低數(shù)據(jù)率的系統(tǒng)。想要利用閉回路架構(gòu)達(dá)到高數(shù)據(jù)率，則可采用雙點(diǎn)差異積分調(diào)變器（two-point delta-sigma modulation），即在差異積分調(diào)變上加入VCO調(diào)變。數(shù)據(jù)經(jīng)由差異積分調(diào)變的路徑上有低通（low pass）的效果，即高頻數(shù)據(jù)會(huì)被濾掉。相對(duì)地，在VCO調(diào)變的路徑上有高通（high pass）的效果。兩者互補(bǔ)的結(jié)果，即可完整地調(diào)變數(shù)據(jù)。

　　值得注意的是，VCO的電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)，會(huì)因半導(dǎo)體工藝而有變異，因此需要額外的校正電路來(lái)校正頻移量。若設(shè)計(jì)的VCO有較線(xiàn)性的電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)，則可大大降低校正電路的復(fù)雜度。

　　RX接收器設(shè)計(jì)考慮

　　零中頻（Zero-IF）及低中頻（Low-IF）是易于實(shí)現(xiàn)整合型接收器的兩種架構(gòu)。零中頻接收器是將RF訊號(hào)降頻至基頻（base-band），然后用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)成數(shù)字訊號(hào)，再用數(shù)字訊號(hào)處理器（DSP）將數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)。由于中頻頻率為零，因此通道選擇（channel selection）只需要用低Q值的低通濾波器，低Q值通道選擇濾波器的消耗電流也相對(duì)較小。但零中頻接收器也具有一些缺點(diǎn)，例如直流偏移（DC offset）及閃爍噪聲（flicker noise）。為了解決這些問(wèn)題，必須增加額外電路及功耗。

　　低中頻接收器則是將RF訊號(hào)降至適當(dāng)?shù)闹蓄l，以舒緩上述直流偏移及閃爍噪聲等問(wèn)題。但是低中頻接收器則有映像干擾（image interference）的問(wèn)題，因此低中頻接收器需要映像抑制（image rejection）濾波器，同時(shí)，通道選擇濾波器必須采用帶通濾波器（BPF）。這使得濾波器所需的Q值較高，也比較耗電。

　　FSK（或MSK）系統(tǒng)相較于ODFM或PSK，最大的優(yōu)勢(shì)就是簡(jiǎn)單的解調(diào)器，簡(jiǎn)單的解調(diào)器也代表了較低功耗設(shè)計(jì)。FSK調(diào)變可用非同調(diào)（non-coherent）解調(diào)。非同調(diào)解調(diào)器不需解調(diào)載波（carrier）、不用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），也不需ADC之前的線(xiàn)性放大器或自動(dòng)增益放大器（AGC），可大幅降低電路復(fù)雜度及功耗。但非同調(diào)解調(diào)的靈敏度較同調(diào)解調(diào)略差3dB，所以解調(diào)器的選擇需依芯片接收靈敏度設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)取舍。