基于ROHM Sub-GHz无线通信芯片设计

chenshuai2 · 发表于 2018-7-4 10:35:15

物联网的飞速发展离不开无线通信技术的进步，常见的无线通信技术包括蓝牙、Zibgee、Wifi等，而Sub-GHz技术由于其长距离传输的特性和良好的穿透能力，在物联网应用中也具有非常重要的地位。
　　Sub-GHz指通信频率在1Gz以下，数据传输率在几Kbps到几百Kbps范围内的无线通信技术。由于其通讯波长较长，可以达到几百米甚至几公里的通讯距离，在工业农业监控、安防和智能抄表领域有着非常广泛的应用。Sub-GHz对于电路设计有较高的要求，不良的设计会对无线通信质量造成很大的影响，本文将基于ROHM旗下LAPIS半导体最新的Sub-GHz无线通信芯片，浅谈其设计和测试相关注意事项。
　　1.设计
　　好的设计是成功的一半，主要包括电路设计和PCB设计。
　　2.电路设计
　　建议电路布局与参考电路保持一致。天线的设计也要基于原厂的推荐电路(Pattern Antenna)或天线厂商(Chip Antenna)。大部分天线配置为λ/4天线，保持GND区域的方向和尺寸。主时钟晶振尽量选择高规格的，否则会影响接收灵敏度。RF电路使用的电感和电容应该有好的温度特性，尤其是电感应该用绕线式而不是层叠式，不然会造成信号损耗。
　　2.1 PCB设计
　　GND非常重要，需要增强。如果GND弱，会对发射端的杂波散射、相邻信道功率(ACP)以及接收端的灵敏度、杂波响应、RSSI检测电平造成影响。芯片底部的GND使用过孔增强，且过孔的数量应该大于12(如图1)。 GND走线应尽量宽，对于两层板，底层应该几乎全部铺地。VCO和环路滤波器电路的走线要尽量短，因为这些电路极易被干扰，最好四周用GND信号包围。任何信号不要在RF电路下走线，给内部PA供电的电源线要用其它信号隔离。

　　图1 芯片底部GND使用过孔增强

　　RF线阻抗应为50ohm，使用类似AppCAD软件计算50ohm线。设定好基板材料(介电常数)、层厚、线宽和频率，软件可自动计算出阻抗。
　　3校准
　　如果设计出来的产品没有达到要求的性能，则需要进行校准。在评估前，通常需要校准VCO振荡频率和主时钟精度。如果有网络分析仪，可使用史密斯图做RF匹配，天线的阻抗也需要测量。另外为了满足无线规范，杂波电平也需要调整。
　　3.1 VCO校准
　　VCO(压控振荡器)定义了振荡频率范围，如果VCO未准确校准将不能正常通信。
　　VCO振荡频率计算公式为：
　　F = 1/(2π(LC)1/2)
　　振荡频率由外部的电感、电容(包括PCB寄生电容和芯片内部可变电容)定义。VCO校准需要从可变电容中选择最优的电容值，来对应特定的振荡频率。如果振荡频率范围超出了使用频率，则意味着PPL未锁定，需要调整外部的电感或电容。
　　通常芯片都内置了VCO校准寄存器，在初始化时，可以通过读取寄存器值进行校准。
　　3.2 OSC校准
　　OSC频率规定了载波频率的容限值，校准的目标是频率误差尽可能为0ppm。载波频率容限需要在使用的频道带宽范围内，如果载波频率超出了频道带宽，则芯片的自动频率校正(AFC)不能正常工作。
　　通过内部寄存器调整OSC负载电容的容值可以对振荡频率精度进行校准。需要注意的是，如果使用宽的OSC容限值，需要选择更宽的信道带宽，但会降低接收灵敏度。
　　3.3 RF匹配
　　RF匹配是为了最有效的传输射频信号。RF匹配电路通过调整天线和RF芯片的阻抗来抑制信号反射。
　　通常使用Smith图调整RF匹配电路。RF电路由电感L和电容C构成，使用“并联”和“串联”连接电路，有四种匹配方式：并联电感、串联电感、并联电容、串联电容。

　　图2 Smith图

　　如果使用网络分析仪，可简单快速的进行阻抗匹配。当然，芯片厂商也提供了一些校准经验，通过调整电路的器件参数进行阻抗匹配。
　　3.4杂散波校准
　　为了满足EMC/EMI要求，需要设计滤波电路对杂波(谐波)进行抑制。通常使用LC串联的陷波器电路抑制一次谐波，使用低通滤波器(LPF)来抑制二次及以上谐波。
　　4测试
　　严格的测试对于好的产品设计也是不可或缺的，除了基本通信功能的测试，还包括载波频率、发射功率、接收灵敏度、消耗电流等性能测试。
　　4.1载波频率/发射功率/谐波/发射电流
　　使用频谱分析仪可测试载波频率、发射功率和谐波。载波频率应该在芯片允许的ppm值范围内，且频偏应小于最小频道滤波带宽。发射功率应该与设定值相当，如果偏差过大，应检查寄存器设置或调整外围电路参数。谐波散射值应小于标准值，且该值越小越好。
　　发射电流一般在最大发射功率时测得，其受发射端匹配影响，如果值偏大多数由测量方法引起，如天线端开路等。
　　4.2接收灵敏度/接收电流
　　接收灵敏度通常是指在特定数据波特率下，满足1%的误码率，产品所能接收到的最低强度的信号。
　　精确的接收灵敏度测量可使用信号发生器，现在高端的信号发生器都集成了误码率测试功能，设定好对应的参数就可以自动测量接收灵敏度。简单的方法也可以通过示波器观察接收端的数据，但考虑到信号干扰，获得的值一般要比实际差一些。有些芯片内置了BER测试功能，通过读取内置寄存器也可以进行测量。
　　接收电流的测量比较简单，将接收一直打开，测量电源上的消耗电流即可。需注意的是，如果使用DIO输出，电流会因为GPIO的负载而增加。
　　5 结语
　　通常芯片原厂提供的评估板都经过了严格的验证和测试，可以最优的体现芯片的功能和性能。在实际的产品设计中，建议尽量参考原厂的设计，包括外围元器件的参数选择。另外，原厂一般也会提供配套的上位机软件，可以很方便的进行产品的功能和性能测试。合理的利用现有资源，可以减少设计流程，提高产品的可靠性，降低量产成本。

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