RF FEM如何擴大用于IoT短程無線電系統

低功耗藍牙和 zigbee 等廣泛使用的 2.45 GHz 短程無線電系統是特別適合物聯網 (IoT) 應用的成熟技術。雖然此頻段中的無線電確實具有良好的穿墻能力和覆蓋范圍特性，但在某些應用中（例如在有些節點遠離發射集線器的智能照明中）仍然存在一些挑戰，迫使系統設計人員不得不考慮范圍擴展方案。

擴大這些系統覆蓋范圍的解決方案包括兩種：其一為網狀網絡，借以將信號從一個節點中轉到下一個節點；其二為相關技術，例如藍牙 5 的誤差校正算法，它可以限制比特誤碼率 (BER)。不過，網狀網絡會增加復雜性，而藍牙 5 的范圍擴展則以降低數據速率為代價。請參見“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第 1 部分）”。

替代型范圍擴展解決方案是將低噪聲放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA) 與射頻芯片組合，從而提高無線電的“鏈路預算”。選擇包含 LNA 或 LNA + PA 的射頻前端模塊 (FEM)、射頻開關以及采用經過測試的預組裝封裝的邏輯器件，能讓放大設計變得容易。

不過，這種解決方案也存在一些缺點，包括成本和尺寸都會有所增加，功耗也更高。設計人員還必須考慮美國 FCC 規范和有關公共射頻頻段中傳輸功率的其他國際規范。

本文介紹 RF FEM 如何擴大用于 IoT 應用的短程無線電系統的覆蓋范圍，討論其與替代方案相比的缺點，并通過應用示例說明設計流程。

2.4 GHz 工作頻率的權衡

低功耗藍牙或 zigbee 等無線電技術基于一系列的權衡，正是這些權衡造成了限制范圍。首先，該技術利用的是“2.4 GHz”（以 2.45 GHz 為中心）工業、科研和醫療 (ISM) 公共頻段，該頻段得到全球認可并可供任何一方免費使用。

第一個權衡之處是，雖然千兆赫頻率支持的頻寬更高，但覆蓋范圍會成比例縮小。也就是說，在相同的功率輸出下，2.4 GHz 無線電信號的傳輸距離不如在 915 MHz（另一種美國 ISM 頻率）下工作的無線電信號的傳輸距離遠。

第二個權衡之處是，由于要與許多其他無線電源共用頻段，2.4 GHz ISM 頻段無線電面臨著發射器功率方面的限制。相關規定很復雜，但基本上是這樣規定的：跳頻頻率數少于 75 個但至少達到 15 個（低功耗藍牙有 40 個）的跳頻系統，在其天線輸入處測量的峰值發射功率必須限定為 +21 dBm；若全向天線增益大于 6 dBi，則輸出還須有所降低。這樣，最大等效全向輻射功率 (EIRP) 就是 +27 dBm。1

第三個權衡之處是，低功耗藍牙和 zigbee 所采用的設計通過限制功耗來最大限度地延長電池壽命。這一特性適用于有許多節點的應用，例如大型辦公樓中的無線照明，因為它可以減少維護工作。限制無線電處于高功率發射或接收狀態的時間可節約大量電能，但射頻芯片制造者也可以通過將低功耗藍牙發射功率限定為 +4 dBm 來節能（此為通常情況，有時也可限定為 +8 dBm，均遠遠低于相關規范允許的 +21 dBm）。

信噪比 (SNR) 可衡量接收器從環境噪聲中正確提取并解碼信號的能力。在閾值 SNR 下，BER 會超過無線電的規格，導致通信失敗。例如，按照低功耗藍牙接收器的設計，其最大 BER 容差僅 0.1% 左右。根據以下公式，SNR 是比特能量與噪聲密度比之比 (Eb/No)、數據速率 (R) 和接收帶寬 (B) 的函數：

當代低功耗藍牙和 zigbee 收發器兼具高接收靈敏度和可調輸出功率的優點以提高鏈路預算，從而使 SNR 達到最大。Nordic Semiconductor nRF52832 和 Texas Instruments CC2538 等現代 2.4 GHz SoC 具有相似的最大鏈路預算，介于 100 至 110 dBm 之間。根據應用情況以及無線產品的射頻電路和天線設計水平，此類芯片在理想情況下有助于實現 80 至 100 米的覆蓋范圍，典型住宅因墻壁和天花板會吸收射頻輻射并且存在其他 2.4 GHz 無線電源的干擾，所以覆蓋范圍在 10 至 30 米。在大型住宅中，例如無線照明節點等很容易就會位于控制器集線器的覆蓋范圍界限上，削弱可靠的性能和日后的系統可擴展性。

擴大范圍

在低功耗藍牙或 zigbee 應用中擴大覆蓋范圍有一些替代方案。一種是采用網狀網絡，借以在節點之間中轉信號，從而確保系統向外的延伸絕不會超出覆蓋范圍。網狀網絡還具備內置冗余（故障節點不會導致系統癱瘓，因為可以輕松地改變信號路線）和縮放簡單的優勢。其缺點是復雜性和項目費用大幅增加。

另一種解決方案是內置封包傳輸誤差校正功能，以便在信號通常會淹沒于噪聲中的情況下降低 BER。這正是最新版本（第 5 版）低功耗藍牙技術中用于擴大覆蓋范圍的技術。其缺點是校正后的封包需要更大的系統開銷，因此會犧牲帶寬。

第三種方案是提高 SNR，進而提高鏈路預算并擴大覆蓋范圍。假設設計人員已經采用正確的射頻電路設計原理實現標準射頻 SoC 或模塊的最佳性能，那么下一步就要采用 RF FEM。請參見“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第 2 部分）”。

收發器的噪聲系數 (NF) 用于量化其在噪聲環境中處理信號的能力，它在某種程度上決定了收發器接收信號的靈敏度。將收發器與 LNA 配合使用可降低 NF 并提高靈敏度。

使用整合了 LNA、已經組裝好并經過測試和認證的模塊化 RF FEM 是最行之有效的簡單電路集成方法。適合該任務的 RF FEM 有許多選擇。 例如，Skyworks 提供適用于低功耗藍牙、IEEE 802.15.4 和 zigbee 應用的 SKY66113-11（圖 1）。該芯片集成了高增益 LNA、發射旁路通路和數字控制功能。增益通常為 12 dB，NF 為 2 dB。

圖 1： Skyworks 的 SKY66113-11 將 LNA 與數字控制集成。該器件還使用了旁路開關，讓系統可以根據需要在無 LNA 的情況下工作。（圖片來源： Skyworks）

以一個包含 Nordic Semiconductor nRF52832 和 SKY66113-11 的系統為例。按照規格，在鏈路預算為 100 dB 時，該射頻芯片的最大靈敏度為 -96 dB，最大輸出功率為 4 dB。Nordic 的規格書中不包含 NF 數據，但此類芯片的典型值約為 8 dB。

因此，該系統的 NF 為：

這樣的提高將顯著擴大覆蓋范圍。為便于比較，在類似的應用中，靈敏度提高 6 dB 可以擴大近一倍的覆蓋范圍。

增加功率放大器

除了使用 LNA 提高靈敏度外，還可以同時在發射器端上使用 PA 來擴大覆蓋范圍。目前，市面上提供同時集成了 LNA 和 PA 的 RF FEM。例如，TI 為其用于低功耗藍牙和 zigbee 的 2.4 GHz 射頻收發器提供 CC2592 增程器。除 LNA 和 PA 外，CC2592 FEM 還包含射頻開關、射頻匹配和片上平衡不平衡轉換器，用于與 CC2538 zigbee/6LoWPAN (IEEE 802.15.4) 收發器等器件配合使用（圖 2）。

圖 2： 將 CC2592 增程器與 CC2538 射頻 SoC 配合使用非常簡單。在這種布局中，天線和匹配電路直接連接到增程器而非射頻 SoC。（使用 Digi-Key Scheme-it? 繪制的原理圖。圖片來源：Texas instruments）