无线芯片（共8篇）
无线芯片 篇1
0 引言
目前许多应用领域都采用无线的方式进行数据传输,这些领域涉及小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡等。由于无线收发芯片的种类和数量比较多,无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的,正确的选择可以减小开发难度、缩短开发周期、降低成本、更快地将产品推向市场。如何在众多功能相近的无线数传芯片中快速的选择出适合功能要求的芯片型号就成为系统设计时核心要解决的问题。
本文以RF短距数据通信芯片nRF401、CC1020、nRF903为例,在分析了这三种芯片的功能结构、工作特性及典型应用电路的基础上,提出了一种芯片性能指标的横向比较方法。通过该方式,能够比较清晰地反映出同类型芯片在具体性能指标上的差异,为系统设计时芯片定型提供了有效的数据参考依据,同时该方法适用于其它同类芯片的选型比较过程。
1 nRF401芯片
nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片,工作在433MHz ISM(lndustrial,Sci entific and Medical)频段。它采用FSK调制解调技术,抗干扰能力强,并采用PLL频率合成技术,频率稳定性好,发射功率最大可达lOdBm,接收灵敏度最大为-105dBm,数据传输速率可达20Kbps,工作电压在2.7-5.25V之间。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少,并可直接接单片机串口。
nRF401芯片内包含有发射功率放大器(PA)、低噪声接收放大器LNA)、晶体振荡器(OSC)、锁和环(PLL)、压控振荡器(VC0)、混频器(MIXFR)、解调器(DEM)等电路。在接收模式中,nRF401被配置成传统的外差式接收机,所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大,经混频器变换成中频,放大、滤波后进人解调器,解调后变换成数字信号输出(DOUT端)。在发射模式中,数字信号经DIN端输入,经锁相环和压控振荡器处理后进人到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木,频率稳定性极好;采用FSK调制和解调,抗干扰能力强。nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输人,以及发送时发射功率放大器PA的输出。连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401,一个500的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。
图一为使用环形天线的nRF401的典型电路图,整个环形天线可以做在PCB上。对比传统的鞭状天线或单端天线,不仅节省空间和生产成本,机构上也更稳固可靠。
2 CC1020芯片
CC1020是美国Chi pcon Component公司生产的一种理想的超高频单片收发器芯片,主要用于ISM (工业、科研及医疗)频带和在426/429/433/868/915MHz频带的SRD(Short Range Device-近距离设备)中,也可经编程后用于频率为402MHz-470MHz和804MHz-940MHz的多信道设备。CC1020主要的工作参数(输出功率、频率及AFC)可通过串行总线接口编程设置。CC1020提供标准RS-232、485,UART/TTL电平三种接口方式,可直接与计算机、单片机或其它UART器件直接连接使用。
在接收模式下,CC1020可看成是一个传统的超外差接收器。RF输入信号经低噪声放大器(LNA和LNA2)放大后,翻转经过积分器(I和Q)产生中频IF信号。在中频处理阶段,I/Q信号经混合滤波、放大后经ADC转化成数字信号。然后进行自动获取控制、信道滤波、解调和二进制同步化处理,在DIO引脚输出数字解调数据,DCI_K引脚获取同步数字时钟数据。RSSI为数字形式,并可通过串行接口读出。RSSI还可作为可编程的载波检测指示器。
在发送模式下,合成的RF信号直接馈送到功率放大器PA。射频输出是FSK信号,此信号是由馈送到DIO引脚的数字比特流通过FSK调制产生的。可使用一个高频滤波器来得到高斯频移键控GFSK。芯片内部的收/发开关电路使天线容易接入和匹配。
图二为使用单级天线的CC1020典型应用电路,采用单极天线可以有效提高CC1020信号的使用范围。
3 nRF903芯片
nRF903是Nordic公司研制的单片UHF多段无线收发芯片,工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHz,GMSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合。采用DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好,灵敏度高,达到-lOOdBm。低工作电压(2.7V),功耗小,待机状态仅为luA,可满足低功耗设备的要求。最大发射功率达+lOdBm,具有多个频道(最多170个以上),特别满足需要多信道工作的特殊场合。工作速率最高可达76.8Kbps,外围元件最少(仅10个),基本无需调试。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000米。
nRF903的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线,所有的参数包括工作频率和发射功率都可以通过一个1 4位的配置寄存器用串行线(CS,CFG_CLK和CFG_DATA)进行设置。图三为使用环形天线的nRF903的应用电路图。nRF903内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。发射电路含有:射频功率放大器、锁相环(PLL)、压控振荡器(VC0)、频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。振荡电路采用锁相环(PLL)方式,由在DDS基础上的频率合成器、外接的无源回路滤波器和压控振荡器组成。压控振荡器由片内的振荡电路和外接的LC谐振回路组成。要发射的数据通过DATA端输人。接收电路包含有:低噪声放大器、混频器、中频放大器、GFSK解调器、滤波器等电路。低噪声放大器放大输人的射频信号,混频采用2级混频结构,第一级中频10.7136MHz,第二级中频345.6kHz。中频放大器用来放大从混频器来的输出信号。中频放大器的输出信号经中频滤波器滤波后送人GFSK解调器解调,解调后的数字信号在DATA端出。
当nRF903工作在接收模式时,ANT1、ANT2提供了RF到LNA (Low Noise Amplifier)输入,当nRF903工作在发射模式时,ANT1、ANT2提供PA (Power Amplifier)的输出,nRF903的差分天线端口的推荐阻抗值为180Ω。
4 结束语
目前无线数据传输系统广泛应用于工业生产及人民生活中,影响其性能的核心是无线数传芯片的功能,无线数传芯片选择的合适与否,将会直接影响到系统功能和系统的设计成本。选择无线收发芯片时应重点考虑以下几点因素:功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。表一以横向比较方式对nRF401、CC1020、nRF903三种芯片的相关参数做了比较分析,通过这种方式,设计者可以一目了然的看到不同芯片之间的性能参数差异,能够在最短时内为系统设计选择出适合其功能要求的芯片型号。结合笔者进行课题设计的体会,通过这种方法能够有效节省芯片选型时间,为整个系统设计的的顺利完成奠定良好的基础。同时该方法也对其它芯片的选型过程有着良好的参考价值。
参考文献
[1]Nordic VLSI ASA nRF401 Product Specification, 2002-02[EB/01].http://www nodicsemi.no/files/Product.
[2]Single Chip Low Power RF Transmitter for Narrowband Systems[EB/OL].http://share.laogu.com/ datasheet/51/CC1020_1070DK-433_TI_686180.pdf.
[3]Geir Langeland．面向无线产品设计的收发机nRF401[J]．世界电子元器件，2004，(11)．
[4]林建华，李嘉伶．蓝牙芯片nRF903的原理及应用[J]．电子技术，2004，31(2)．
[5]文俊峰，乔晓军，张文爱等．基于CC1020的无线通信模块设计[J]．电子设计应用，2007，(1)．
无线芯片 篇2
关键词 芯片;特性;应用
中图分类号 TN 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)082-0127-01
无线收发芯片广泛应用在无线鼠标、键盘、游戏摇杆、RFID、安防报警、家庭自动化、汽车电子、工业控制、无线通信、传感器玩具等方面,这类IC一般采用射频(RF)技术实现。
1 常用无线收发芯片性能比较
由于无线收发芯片的种类和数量比较多,如何在设计中选择所需要的芯片是非常关键的,正确的选择可以使设计者少走弯路,降低成本。目前市面上无线收发芯片及模块种类很多,常用芯片性能参数如表1所示。
在实际选择器件时,尤其注意下面几点:
1.1 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码
采用曼彻斯特编码的芯片,在编程上会需要较高的技巧和经验,需要更多的内存和程序容量,并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率,一般仅能达到标称速率的1/3。而采用串口传输的芯片(如nRF401),应用及编程非常简单,传送的效率很高,标称速率就是实际速率,因为串口对大家来说是再熟悉不过的了,编程也很方便。
1.2 收发芯片所需的外围元件数量
芯片外围元件的数量的直接决定你的产品的成本,因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜,可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波器等;有些芯片收发分别需要两根天线,会大大加大成本。这方面nRF401做得很好,外围元件仅10个左右,无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一。
1.3 功耗
大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的,因此功耗也非常重要,应该根据需要选择综合功耗较小的产品。
1.4 发射功率
在同等条件下,为了保证有效和可靠的通信,应该选用发射功率较高的产品。但是也应该注意,有些产品号称的发射功率虽然较高,但是由于其外围元件多,调试复杂,往往实际的发射功率远远达不到标称值。
1.5 收发芯片的封装和管脚数
較少的管脚以及较小的封装,有利于减少PCB面积降低成本,适合便携式产品的设计,也有利于开发和生产。
2 无线收发芯片典型应用
2.1 基本性能
图1 nRF905 433MHz典型应用电路
nRF905是挪威Nordic公司推出的单片多频带射频发射器芯片,工作电压为1.9~3.6V,32引脚QFN封装(5mm×5mm),工作于433/868/915MHz3个ISM频道(可以免费使用),其他性能与NRF401接近。根据系统需要可用环形天线或单端天线,良好匹配的元件和单端天线时通信距离可达300~800米,由于工作频段较低,在315Mhz频段,当参数匹配良好时可以获得比nRF401更远的通信距离。
nRF905可以自动完成处理字头和CRT(循环冗余码校验)的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,在接收模式时电流为12.5mA。
nRF905传输数据时为非实时方式,即发送端发出数据,接收端收到后先暂存于芯片存储器内,外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905一次的数据传输量最多为32B,由四种模式,通过单片机来配置,nRF905的两种工作模式和两种节能模式,分别为掉电模式、待机模式、Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM发送模式,这几种模式由外界CPU通过控制nRF905的3个引脚PWR-UP、TRX-CE和TX-EN的高低电平来决定,外界MCU通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器,读写数据时必须把其置为待机或掉电模式,nRF905在待机模式时电流为40μA,在掉电模式时功耗电流为2.5μA。
2.2 nRF905典型应用电路
nRF905典型应用电路如图1所示。
参考文献
[1]陈良.等.电子工程师常用手册[M].北京:中国电力出版社,2010.
作者简介
高通:芯片对无线应用的重新定义 篇3
在全球3G市场和智能终端市场快速增长的推动下, 高通作为全球最大的无线芯片供应商, 日均芯片出货量已超过百万片。2010财年, 高通芯片支持的移动终端款型达到745款。其中, 集成高处理性能、低功耗和广泛无线连接能力的旗舰平台Snapdragon获得了合作伙伴的极大认可, 目前已有125款智能终端产品采用高通Snapdragon芯片, 而更有250款基于Snapdragon的终端正在设计中, 其中包括40余款平板电脑。可以看出, 高集成度的芯片因其独特的成本以及设计优势正在受到越来越多终端企业的青睐。
围绕芯片技术和应用上的发展策略与创新想法, 高通公司高级副总裁兼大中华区总裁王翔与我们分享了高通在无线通信技术上的创新和未来应用构想。
芯片技术新走向
《通信世界周刊》:在移动微博等移动互联网应用的带动下, Android终端、iPhone等智能手机迅速普及, 平板电脑也成为3G/Wi-Fi的主要终端之一, 加上LTE的全球起步, 高通作为芯片企业, 在近两三年内对芯片产品的功能、工艺、技术创新、应用方向作出了什么样的规划?
王翔:的确, 我们认为移动互联网与智能终端及3G/LTE的发展互为依托, 相辅相成。智能终端和移动互联网的发展速度都远远超过传统终端和固定互联网, 在移动领域, 语音业务增速低于数据业务增速也是一个重要的趋势。
在高通看来, 如果要满足人们对流畅的用户体验和随时随地接入网络的需求, 终端产品必须要有高处理性能、高移动性和低功耗的芯片技术作为支撑。对此, 高通在行业中率先推出了许多革命性的芯片产品, 包括全球首款HSPA芯片、3G/LTE多模芯片、全球首款1GHz移动单核芯片Snapdragon等。我们在Snapdragon产品线上, 还推出了全球首款1.4GHz移动单核芯片、全球首款1.5GHz移动异步双核芯片, 以及基于全新微架构的全新单核、双核、四核芯片组, 单核速度最高达2.5GHz。
值得一提的是, 高通公司在今年2月发布了用于Snapdragon系列的下一代移动处理器架构Krait, 它将在行业内重新定义产品的性能——这款产品的每个内核最高运行速度可达2.5GHz;较当前基于ARM的CPU内核, 全面性能提高150%, 并将功耗降低65%。这一系列芯片组基于28nm工艺, 覆盖单核、双核及四核版本, 包括具有最高达四个3D内核的新Adreno GPU系列, 并集成多模LTE调制解调器。这其中, 基于28nm工艺的双核MSM8960芯片组将如期于今年6月出样。
从操作系统角度, 全面支持各种主流操作系统是高通的主要战略, 包括Android、黑莓、Chrome、惠普webOS、Windows Phone及Windows新一代版本等。目前Snapdragon是业界惟一支持所有层次Android终端的芯片, 同时也是WP7及其新版本的惟一选择。
在LTE方面, 高通在技术演进、芯片产品阵容和商用化进程方面依然保持业界领先地位。在近日举行的2011年LTE全球峰会上, 高通MDM9x00系列芯片获得2011年LTE技术大奖——最佳芯片组/处理器产品。这是业界首个3G/LTE多模单芯片解决方案, 同时支持Category 3 LTE中的FDD和TDD模式, 该系列芯片可以使运营商在保留对其现有3G网络后向兼容能力的同时, 无缝升级到未来的LTE服务。
在LTE商用化方面, MDM9600处理器已经用于Verizon Wireless等运营商推出的LTE/EV-DO多模数据卡和智能终端。
而最近, 工信部也正式下达文件, 高通芯片正式通过“2×2”测试, 进入TD-LTE七城市规模技术试验。
值得期待的是, 我们即将在6月份出样的MSM8960将是全球首款集成多模3G/LTE调制解调器的双核解决方案, 向后兼容所有主要3G标准。
中国已是高通最大市场
《通信世界周刊》:中国的移动终端市场已经是全球的焦点, 除了给高通等芯片巨头带来了广阔发展空间, 也同时刺激了更多芯片企业的竞争和崛起。在中国市场, 高通依然有绝对的市场影响力, 在目前的智能终端快速发展的局面下, 高通如何布局中国市场?是否有与中国企业合作的计划?
王翔:中国的移动终端市场包括智能手机市场, 确实已经成为全球的重要焦点。
这其中包含“中国市场和中国企业”两个层面, 第一, 中国拥有全球最多的移动用户, 其中3G用户也已突破6700万, 尤其值得注意的是, 三家运营商4月新增3G用户已经超过新增移动用户的一半。我们认为, 智能终端与3G的发展以及用户对于数据业务的需求相辅相成, 以中国电信为例, 据媒体报道, 今年14月中国电信天翼3G手机销量超过1800万部, 其中智能手机销量占比超过50%。而中国联通最近推出HSPA+商用服务及相应的数据卡, 也在推动3G演进方面起到了表率作用。
同时, 中国的终端制造企业日渐崛起, 成为国内外市场一股不可或缺的力量。工信部的统计显示, 今年14月份, 中国企业手机出口175亿美元, 同比增长42.4%, 高于电子行业出口平均值20多个百分点。以产品举例, 今年MWC期间华为发布了Ideos X3智能手机、Ideos S7 Slim平板电脑和Smart Pro无线上网卡, 得到了业界的一致好评, 此外华为C8500还取得了上市百天零售破百万的骄人成绩;中兴通讯推出了Light Tab平板电脑以及在全球取得良好销量的Blade V880, 日前联通也宣布将采购超百万部Blade V880;联想也正积极进军“移动互联网”, 乐Phone和平板电脑乐Pad让消费者刮目相看。上述终端均采用高通公司芯片。
我们的国内企业也加入到了移动通信这一伟大的创新浪潮之中。2010财年, 高通在中国区新增了14家合作伙伴, 总数增至65家, 中国市场已经成为高通全球最大的市场之一。企业合作方面, 我们不但与华为、中兴等大企业合作, 也加强了对中小型企业、有创造力新兴企业的支持力度。
移动技术与计算、娱乐加速融合
《通信世界周刊》:在您看来, 目前流行的智能终端, 发展到LTE时代会以什么类型终端为主?未来的移动互联终端将如何完美地支持语音、数据业务 (以及其他未来业务) ?对此, 芯片需要结合哪些新技术来支持新终端趋势?
王翔:LTE及LTE增强版作为3G技术的补充, 其大范围铺开仍需时日, 而3G及3G演进技术仍将在相当长一段时间内主导运营商网络建设。但无论怎样, 移动与计算、娱乐的融合将是未来终端发展的必然趋势。
为了满足上述发展趋势, 高通进一步提升了芯片处理性能, 从1GHz到1.2GHz、1.5GHz、2.5GHz, 从单核到双核、四核, 除此之外, Snapdragon还具有强大的图形处理性能、广泛的3G无线连接能力, 同时更重要的是具有极低的功耗。具体到设计角度, 高通芯片的特点在于高集成度、多模、跨操作系统以及高处理能力和多媒体性能并具。
仍然以3G/LTE多模双核MSM8960芯片组为例, 其包含两个异步CPU内核, 每个内核皆可独立调控以发挥最大效率, 同时还支持双通道LP DDR内存, 且具有Adreno 225图形处理器, 其性能是原有Adreno处理器的8倍。
从计算、娱乐角度, 我们发现超过60%的智能手机用户经常在移动终端上玩游戏。高通公司为此推出了Snapdragon Game Pack优化计划, 该计划初期包含100多个针对基于Snapdragon平台的移动终端进行优化和增强的移动游戏。未来Snapdragon Game Pack将涵盖的游戏产品将继续增加。借此游戏开发商可以利用Snapdragon移动处理器内嵌的Adreno GPU的先进图形处理能力为移动用户带来了更佳的游戏体验。
《通信世界周刊》:据悉高通近期推出了“扩增实境”这一全新无线技术, 这一技术将主要用于哪些行业、哪些业务上?将起到什么样的作用?
王翔:前段时间, 高通公司与NBA达拉斯小牛队合作了一个关于扩增实境的有趣的应用项目。小牛队的球迷只要将其运行《Mavs AR》应用的智能手机对准季后赛的球票, 就可以在手中畅玩虚拟的篮球比赛。这源于高通公司与Big PlayAR公司以及达拉斯小牛队的一个合作, 我们三家联合推出了基于高通公司扩增实境平台的首款商用应用《Mavs AR》。
通过这一个对Android智能手机的商用版扩增实境平台, 开发者可以创建、推广其基于高通公司AR平台的应用并进行商业分发。基于该平台的应用可运行在所有采用Android 2.1或更高版本的Android智能手机上, 而高通公司Snapdragon芯片组也将在扩增实境领域发挥极为重要的作用, Snapdragon可提供强大的处理速度, 实现高强度的计算和优化处理, 充分展现扩增实境应用的魅力和潜力。
除了游戏, 扩增实境的应用还有很多用武之地, 新媒体、营销、信息指南和社交网络等都会成为扩增实境的应用领域。调研机构ARCchart最新报告显示, 2015年手机扩增实境应用程序收入将达到22亿美元。
不同于目前常见的基于罗盘/GPS的扩增实境技术, 高通开发的基于视觉的扩增实境技术, 通过处理摄像头所抓取的数据来辨识用户所指向的物体。该系统能够追踪目标图像, 并对其进行逐帧分析, 以确定照相机的相对方位, 而这些信息则使物体得到三维渲染, 从而大大增强了用户体验。
深度布局Wi-Fi
《通信世界周刊》:电信行业目前大力发展Wi-F已是业界共识, 高通不久前以31亿美元收购了Wi-Fi芯片厂商Atheros, 此次交易更大的意义在于什么?
王翔:此次收购不仅能使高通公司扩大现有业务, 也将支持我们向一系列相关领域拓展, 包括家用、企业和运营商网络。此举也将促使高通在未来成为网络、计算和消费电子行业的主导力量, 以支持终端客户拓展超越手机和平板电脑领域的新的商业机会。
目前WLAN产品的设计及研发速度十分迅猛。而高通Atheros公司也已经于近日宣布推出了一些新产品, 包括业界首款三频Wi-Fi芯片组AR9004TB, 以及旨在与高通公司28nm Snapdragon移动处理器配合使用的高集成度解决方案的全新的WCN3660。
在“芯片助力无线创新”这一话题上, 不得不提到的一个名字就是高通。围绕芯片技术和应用上的发展策略与创新思路, 高通公司高级副总裁兼大中华区总裁王翔与我们分享了高通在无线通信技术上的创新和未来应用构想。
数字:60%
无线芯片 篇4
关键词：无线传感器网络,MAC,ASIC,IEEE 802.15.4,CSMA-CA
0引言
无线传感 器网络是 结合了传 感器应用 、 无线局域 网 、 大数据快 速处理等 技术的新 兴无线信 息网络 , 基于某种 特定的无 线网络协 议 ,快速建立 数据传输 的无线网 络[1]。 由于无线 传感器网 络的应用 价值和芯 片设计技 术的发展 ,关于无线 传感器网 络的专属 控制芯片 设计的研 究应运而 生 。
IEEE 802 . 15 . 4是一种低 功耗低速 率的无线 局域网协 议 , 定义了物 理层 (PHY层 ) 和介质访 问控制层 (MAC层 )。 MAC层主要是 为上层访 问信道提 供服务接 口 , 并且通过SAP控制PHY层的无线 数据收发[2]。 本文基于IEEE 802 . 15 . 4 MAC协议 , 提出了无 线传感器 网络MAC层的ASIC设计方案 。
本文的芯 片设计能 基本实现MAC层协议的 功能 , 设计了内 嵌CSMA-CA算法控制 器的MAC收发部分 和8位RISC CPU 。 M收发芯片 部分可以 和RISC CPU进行数据 交互 , 其内嵌的CSMA-CA算法控制 器实现竞 争信道机 制组建无 线网络 , 单独的CPU设计可以 更好地实 现无线传 感器网络 的数据处 理功能 。
1芯片整体设计方案
芯片整体 设计框架 如图1所示 , 整个芯片 从功能上 分为五部 分 : 发送部分 、 接收部分 、 精简指令CPU、 协调器和SPI接口 。 协调器使 能控制发 送状态机 和接收状 态机 , 通过协调 器指令集 运行CSMA -CA算法 , 实现信道 竞争访问 机制 。 CPU基于哈佛 架构的RISC精简指令 集设计 ,可通过SPI总线进行 数据交互 。
数据发送 部分主要 包括发送 状态机 、 发送FIFO、发送数据 仲裁 、CRC校验计算 、发送计数 等 ,数据发送 时需要建 立符合IEEE 802.15.4协议格式 的数据帧 , 发送数据仲裁避 免发送数 据冲突[3]。
数据接收 部分主要 包括接收 状态机 、 地址比较 器 、 接收计数 器 、帧解析 、帧起始检 测 、 接收FIFO、 接收数据 通路 、CRC校验 。协调器发 送接收使 能给接收 状态机 ,地址比较 器 、接收计数 器 、帧起始检 测 、接收帧解 析等功能模块协调 作用 ,根据协议 格式顺序 存入接收FIFO[4]。
2逻辑设计与仿真
2.1RISCCPU逻辑设计
考虑芯片 设计成本 和设计周 期 ,本文的CPU采用简单 的总线架 构 ,控制器指 令和数据 通路的数 据都是从 总线获得 。 基于8位数据线 和12位地址线 独立分离 的哈佛架 构 , 数据线和 地址线独 立运行简 化了芯片 逻辑结构 。 CPU设计主要 包括ALU算术逻辑 单元 、 存储器 、 指令译码 器 、 寄存器等 子模块 , 指令集包 括九条基 本运算指 令 。 本文使用Mentor公司的Model Sim软件进行 仿真验证 ,图2为RISC CPU顶层仿真 波形 。
2.2MAC层逻辑设计
本文的MAC层设计主 要包括发 送部分 、 接收部分 和协调器 。 发送部分 的功能是 将上层提 供的数据 进行封装 之后通过PHY芯片发送 , 封装是按 照物理层 的帧格式 进行的 , 包括前导 序列码 、 起始分隔 符 、 帧长度 、 有效负载[5]。 发送模块 的核心设 计是发送 状态机 , 用来产生 发送过程 各子模块 的控制信 号 ,发送状态 机的状态 流程图如 图3所示 。
接收部分 的主要功 能是完成 接收来自PHY芯片的数 据包 , 并对数据 包进行解 包 , 包括前导 码序列和 帧起始分 隔符的检 测 、 地址解析 、CRC校验以及 将物理层 的数据负 载部分存 储在FIFO[6]。 接收部分 从逻辑上 分析是发 送部分的 逆过程 , 接收发送 状态机的 状态流程 图如图4所示 。
协调器是MAC层通信的 大脑 , 通过使能 控制MAC数据收发 , 内嵌CSMA-CA算法控制 器实现竞 争信道访 问 。 由于本芯 片单独设 计了CPU,协调器主 要包括单 独存储协 调器指令 集的指令 存储器 、MAC计时器和 产生控制 信号的CSMA-CA算法控制 器 。 协调器指 令集只实 现CSMA-CA算法 ,与CPU的指令存 储器控制CPU读写不同 。
3芯片ASIC设计流程
ASIC是专用集 成电路的 简称 , 是当今流 行的一种 根据特殊 市场需求 定制设计 的芯片设 计技术 。 ASIC设计流程 包括前端 设计和后 端设计两 个重要阶 段 ,前端设计 主要包括RTL代码的编 写 、 仿真 、 综合以及 静态时序 分析 ,后端设计 主要是把 前端综合 产生的门 级网表实 现成物理 版图 ,并验证版 图是否满 足时序收 敛和设计 规则要求 。 本芯片基 于ASIC设计流程 , 完成了架 构设计 、RTL coding 、 验证 、 综合 、 物理设计 , 并通过Encounter生成了物 理版图 。
3.1综合
综合是芯 片设计的 重要步骤 , 是连接前 端设计和 后端设计 的重要桥 梁 。 本设计采 用中芯国 际0.13 μm CMOS工艺库 , 利用综合 工具Synopsys的DC把RTL代码综合 成门级网 表 ,门级网表 是后端设 计所需要 的源文件 。 DC首先读入 工艺库lib、SDC约束脚本 等文件 ,然后进行 综合优化 生成门级 网表 。
3.2MAC层逻辑设计
综合生成 物理设计 所需要的 门级网表 后 , 使用物理 设计软件Encounter进行芯片 后端设计 。 后端物理 设计主要 包括布图 规划与布 局 、电源规划 、插入时钟 树 、布线等 。 电源规划 对于芯片 后端设计 至关重要 ,良好的电 源规划可 以为整块 芯片提供 一个均匀 的供电网 格 。 本芯片的 局部电源 网络如图5所示 ,VDD和VSS均匀地分 布在芯片 内部 。
时钟是芯 片设计的 核心 , 一个好的 时钟树决 定了芯片 时序收敛 的难易程 度和工作 性能 。 布图规划 与布局结 束后即可 进行时钟 树 (clock tree)插入 ,插入时钟 树的目的 是使芯片 所有逻辑 单元接收 到的时钟 信号时间 一致 , 时序基本 不存在偏 差 。 芯片时钟 树分布图 如图6所示 。
4结论
无线芯片 篇5
关键词：智能电网,无线通信,LTE230,TD-LTE,电力通信
1 引言
国家电网公司在今年启动了无线专网[1]的建设工作,在综合接入网平台建设中,明确指出了在天津、唐山等17个地市公司建设1.8GLTE无线专网,在苏州、无锡、嘉兴3个地市公司建设230MHz LTE无线专网。其中,2 3 0 MHz无线专网几乎在每个省局都有试点,这次是针对230MHz无线专网技术的深化应用。国网旨在通过试点,确定1.8G与230M H z的优劣与互补性,从而确定后续无线专网采用的技术。
在无线通信领域中,核心基带芯片是否成熟,能否商用是制约电力无线通信产业发展的重要因素。1.8G公网的LTE基带芯片的开发厂家众多,国产的如海思、中兴微电子、联芯科技等,国外芯片更是比比皆是,如高通。但在230MHz无线专网,受制于频段的特性,通用的LTE无线基带芯片无法直接转移频段使用,需要根据230MHz频段的特性,进行针对性的研发,从而大幅度降低终端产品的成本,满足LTE230宽带通信系统产业化的要求。
2 230MHz无线专网
2.1 230MHz频谱特性
2 2 3-2 3 5 MHz,可用于遥测、遥控、数据传输,目前主要被电力、能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工、建设等行业使用。在230MHz低频段,具有天然覆盖远的优势,能够大大降低组网成本,满足电力用户分散的需求,在空旷区域可以达到30km;占用1MHz频宽,上行峰值速率可达到1.76M b/s、下行峰值速率可达到0.71M b/s。
1.8 G目前可以申请5 MHz,2 3 0 MHz原来国家无委会只分配了1MHz给电力,但目前在浙江无委给分配了5MHz,福建、重庆、江苏工信部门目前也明文通知将3.5MHz给电力使用,承诺一年后增加到5MHz。因此,两种技术从带宽上看,230MHz原来的带宽劣势正在逐步扭转。
2.2 230MHz无线专网架构
LTE230[2]系统如图2所示,网络有应用层、核心层、接入层、终端组成,分别对应核心网EPC、基站设备eNodeB、终端模块,传输距离最远为30,带宽达到1.76Mb/s,采用了载波聚合、OFDM技术、6 4 QAM高阶调制等LTE核心技术,频谱效率大于2.5b/s/Hz,与数传电台相比,提高了3~4倍。
3 230MHz终端模块
T D-LTE 230集采模块是一种针对230M H z频段开发的宽带无线接入通信系统终端设备,数据传输高速稳定、频谱利用率高,该产品物理层采用了OFDM、载波聚合、AMC等关键技术,协议标准采用230MHz TDD协议规范[3],可以满足数据传输、负荷控制、视频传输的实时性、高效性、稳定性和可靠性要求。
T D-LTE230集采模块是根据宽带无线接入通信系统协议自主研发的设备,通过空口与通信系统中的另外一个网元基站交互业务和控制数据。
TD-LTE 2 3 0集采模块采用成熟的模块化设计,硬件分为BRU模块和载板,BRU模块是整个终端产品的核心部分,载板主要功能是适应不同的结构和接口,两板之间通过接插件连接。如图3所示,BRU模块是整个产品的核心部分,其中BB是基带处理单元,产品的所有物理层、业务面、控制面软件都在BB模块上实现;RF是射频单元,上行方向主要完成基带信号的数模转换、滤波、上变频、功率放大等功能,下行方向主要完成空口射频信号的低噪声放大、下变频、滤波、模数转换等。
4 终端模块通信芯片设计
4.1 芯片主要规格
该芯片支持5个子带,频宽为5×25kHz,支持的速率可以达到200kb/s。芯片由DSP、内部e DRAM、总线、cache、外设、中频处理单元组成。如图4所示。
4.2 芯片关键技术
4.2.1 230MHz频段不连续
在芯片中,RF芯片将230M信号搬移到中频段,通过内部的中频处理电路,利用多级nco技术,把230M H z的不连续频谱进行统一处理,形成连续的频谱。
4.2.2 内置2MB存储器
在芯片设计过程中,为了降低外围的BOM成本,把板级的SR A M集成到芯片内部。通过仔细评估,5个子带的信号速率,缓存采用2MB就能够支撑。
4.2.3 软件无线电
在现代无线移动通信领域,特别是第四代移动通信领域,由于软件无线电技术可将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线,即将AD转换器尽量靠近RF射频前端,利用DSP的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调制解调、信道编码译码等工作,从而可为第四代移动通信系统的升级提供一个良好的无缝解决方案。
5 系统测试
5.1 应用场景
电力无线通信系统建设如图5所示,可以覆盖国家电力行业发电、输电、变电、配电、用电等多个环节,基于此基带芯片的应用开发可以满足电力系统的安全自主可控的要求,推动并引领电力无线通信产业技术升级,为建设坚强智能电网、保障电力系统和国家信息安全、促进经济社会又好又快发展提供强有力的技术支撑和产品保障。包括10k V通信接入网和0.4k V通信接入网两部分,业务覆盖配电自动化及用户用电信息采集两个系统。
5.2 系统性能指标
终端模块经过了多地试点,如昆山用电信息采集[4]、昌吉配网自动化等场景,其性能指标如表1所示。
6 结束语
本芯片的设计规格切实符合电力市场的应用需求,其功能与性能均满足电力无线通信的要求,是国内惟一一款针对230MHz频段研发的具有自主知识产权的芯片,其设计的性能指标适用于配网自动化和用电信息采集系统。作为国家战略新兴产业的智能电网和高性能芯片设计的重要结合产品,国内首款TD-LTE 230MHz电力无线宽带通信基带芯片的研发具有非常重要的战略和现实意义。
参考文献
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一、无线计算机数据传输通信系统的设计
无线通信系统是低速的通信系统, 通信速率为10kbit/s。此系统主要是用来阻止通信系统范围内所产生的同频干扰的, 此系统主要采用的是多通信信贷系统的设计。在无线计算机数据通信系统运行中, 为了防止通信范围内产生的同频对无线通信系统设备产生干扰, 在协议中针对通信的频率具有明确的规定。比如, 无线点管理机构做使用的通信频率必须使通过无线发射器的设备使用通过协议的认可, 但是管理部门针对不同的需求是具有不同的频带许可的, 频带一般包括科研、医用 (ISM) 以及工业等频带。无线计算机通信系统采用的频率范围为用27MHz, 属于国际上可以通用的医用频段, 根据我国的《微功率无线电设备的管理规定》判断, 无线计算机数据通信系统属于规定内的C类系统设备, 频率的范围一般在26.950-27.280MHz, 除此之外, 医用的频段在整个系统中的设计是比较简单的, 被广泛的应用于大多数的计算机设备系统之中。同时医用频段在设计上人存在不足之处: (1) 在医用频段设备上, 天线的设计具有一定的困难性, 如果从理论上讲的话, 天线的长度控制在占据通信载波1/4时可以获得最佳的效果, 但是无线计算机通信系统的频率范围仅为27MHz, 相当于波长11米左右, 因此, 天线的长度需要达到2.9米长才能够与之相对应, 但是天线的这种长度在常用的设计产品中是不允许被应用的, 因此, 无线通信系统数据传输的速率被限制。 (2) 无线计算机通信系统中的电波设备遇见金属的时候工作将会被阻碍, 无法进行正常的电波吸收, 并且穿透力也开始变差, 传输的信号大大的衰减, 如果将其置于金属面之上, 电波的传输工作将会迅速停止, 无法正常工作。 (3) 无线计算机通信系统数据传输的速率较低, 不适合应用于高速数据的传输。
二、无线计算机数据通信系统中芯片的设计
1. 关于USB接口层的设计。
无线计算机数据通信系统内芯片设计中, USB接口传输信号、电源主要通过的路径是一组由四条线组成的电缆, 电缆内的VBUS、GND的主要作用是为通信系统设备提供电源 (VBUS必须为+5V的电源) 。D+, D-是两根差分数据线。USBl.1主要供低速为1.5Mb/s以及全速为11Mb/s这两种数据传输速率的模式。
2. 计算机接口控制器芯片的设计。
本文中所涉及到的设计的接口控制器为USB接口控制器。主要是因为USB接口是近年来计算机系统设备内最标准的控制器, 目前所用的计算机设备中均有USB接口。从设计上看, 这种设备比较复杂。在USB以Windows操作系统出现的时候, 还未包含所有外围的设备驱动程序, 不过, 目前这问题已经得到解决, 导致越来越多的控制芯片, USB接口的设备逐渐成为外围设备的标准接口等。另外, 芯片已经应用在无线鼠标、无线键盘的系统之中, 为人们提供更加方便快捷的设备服务等。
3. 在无线计算机数据通信系统中, USB根据不同的
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1 系统总体结构
系统设计结构简单,体积小,单独携带或者附在其他物体上面,整个系统包括天线设计在一块电路板上,在目标物体落在既定地点后,通过一定的外部“事件”触发单片机工作,限于信号源体积和重量,器件体积和器件功率较小,这样可以通过匹配电路的设计使天线能在功率较小的情况下传输比较理想的距离,单片机在控制CC1100工作时使用中断形式,使信号间断性的发送,比如每隔5 s发一次或每隔5 min发送一次等,来延长信号源发送信号的时间,最大化利用电源,便于寻找目标物体。系统整体框图如图1所示。
本系统由控制模块、信号发生模块、功率放大模块和天线四大部分组成,单片机发送控制字控制CC1100芯片产生一个稳定的400 MHz频率的正弦信号,通过设计在PCB板上的微带天线传输出去。
2 硬件电路设计
系统的核心是单片机和信号发生模块,控制模块采用低功耗的单片机PIC16F690作为控制芯片,信号发生模块采用TI公司的无线收发芯片CC1100。控制芯片通过I/O口与无线收发芯片进行数据传输[2]。
2.1 信号源硬件设计
CC1100是美国TI公司生产的一种低成本、超高频真正单片的UHF收发器,为低功耗无线应用而设计。芯片电路主要设定在315 MHz,433 MHz,868MHz和915 MHz四个ISM (工业、科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段上,也可以容易的设置为300 MHz-348 MHz、400 MHz-464 MHz和800MHz-928 MHz的其他频段上[3]。RF收发器集成一个高度可配置的调制解调器,支持不同的调制格式,其数据传输率可达到500 kb/s,通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,性能可得到极大提高。CC1100串口通讯方式,提供多达256个信道[4]。
CC1100的工作方式可以针对不同的应用进行配置,以达到最优性能。配置通过SPI接口设定内部寄存器的值来实现。主要参数包括:RF输出功率、接受/发送模式、RF信道选择数据率、调制格式、RX信通滤波器带宽、FIFO数据缓冲、数据包通信硬件支持、交错前向误差校正数据白化等。对应寄存器的设定值可以通过Chipcon公司的SmartRF Studio软件计算得到[5]。其典型电路图如图2所示。
本系统设计采用的PIC16F690单片机是由美国Microchip公司采用纳瓦技术生产的20引脚内嵌CMOS闪存的8位单片机[6]。该芯片具有高性能精简指令集的CPU,具有精准的内部振荡器,出厂时精度已校准到±1%,其内部集成有2个模拟比较器、2个软件定时器、10位分辨率和12路通道的A/D转换器和增强型PWM+模块,接口电路支持UART、SPI等通信模式,具有极其丰富的硬件资源,可以满足大多应用场合需求。同时采用20个引脚的PDIP封装I/O口线体积小、价格低并可片上在线调试[7],其控制和信号发生电路图如图3所示。
在信号源附加到目标物体上后,电源开通供电给单片机,单片机处于低功耗状态,CC1100和功率放大部分没有供电,单片机的两个I/O引脚由导线连接,并在其中引脚RC2输出高电平,单片机通过检测另一个引脚RC1的电平变化,当其电平由高变低后单片机退出低功耗,系统开始工作。开关即作为外部触发中断源,一定条件下连接线被断开。PIC16F690具有低功耗唤醒功能,待机电流在2.0 V时典型值为50 nA,时钟频率4 MHz、工作电源电压5 V时,其工作电流小于1 mA,能够满足于无线通信终端的低功耗要求。
2.2 电源模块电路设计
系统设计中,电源模块是系统设计至关重要的因素,考虑到设计中各个模块的电压要求,系统电源使用LINEAR公司的LT1963A系列的LT1962A-3.3电源芯片,LT1963A-3.3芯片具有快速电压变换、LDO和极低的输出噪声,能够固定输出3.3 V稳定电压和1.5 A电流,其静态电流为1 mA电源模块电路设计示意图如图4所示。
本系统采用5 V电源,供给单片机的电源芯片U3直接输出3.3 V电压,供给CC1100和功放模块的电源芯片使能端SHDN引脚接单片机I/O口,当单片机中断触发后退出低功耗产生一个高电平通过I/O口发送给引脚SHDN电源芯片开始工作。
2.3 功率放大电路、滤波电路和天线的设计
功率放大芯片采用Mini-Circuits公司的GA-LI—74芯片,是表面装载单片放大器,具有高动态范围,放大频率可以从直流到1 GHz,最高增益可以达到25.1 dB,并具有低噪声指数(<2.7) dB,价格低廉。滤波电路采用LC振荡电路,可以节约成本。由于天线是使用的PCB板微带天线,电路板本身体积很小,为保证天线长度,天线需要做成弯曲状态,对天线匹配电路设计可以在发射功率不是很大的情况下传输距离达到最优。通过对天线的仿真设计,设计出的天线可以达到本设计的要求,其天线示意图如图5。
3 系统软件设计
本文采用C语言对单片机和CC1100编程,通过对单片机I/O口RC0和RC1编程,RC0引脚作为输出端口,RC1引脚作为输入端口,单片机检测RC1引脚的电平,目标落地后,引脚RC0和RC1之间的连线断开,RC1引脚的电平由高变低,单片机由中断触发开始工作。系统产生的固定频率信号由程序设置。系统流程图如图6。
4 测试结果
图7为设计信号源产生的信号频谱图,由信号的频谱图可知信号源的输出频谱在-10dB的带宽约为400 K,其中心点400 MHz输出功率为-2.16dBm,换算成功率约为608 mW,考虑到信号接入频谱仪之前进行了30 dB(1 000倍)的衰减,即信号输入时功率大约为0.608 W,这个功率可以实现近距离传输。信号在中心频率400 MHz左右没有杂散的信号,输出信号频谱较为纯净。
系统在室外进行了一系列的测试,在测量中使用的军用全向性天线放置在相对地平面高度约220米的山顶上面,系统放置在地平面的车上,通过移动变换位置测试信号强度。在山顶上面使用对讲机做辅助测试工具。使用GPS导航仪定位信号源和接收天线的位置,并计算出两者之间的直线距离。
由表1可以看出本系统在地平面上距离山顶约5 公里处可以使用全向性天线和对讲机收到本系统的信号频率,在6.8公里处对讲机收不到信号,全向性天线可以收到信号,但是信号强度较弱。
5 结束语
通过对信号源的测试及结果分析可知,信号功率可以满足作为信源的需求。本信号源体积小、重量轻、功耗小,适于电池长期供电,具有结构简单、输出频率可编程、安全稳定可靠的特点。外表形状可以自行设计并可以加载其他天线,可以作为一般的无线收发设备应用。
参考文献
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无线连接已成为电脑、通信、消费电子甚至汽车等领域应用电子设备所必备的功能, 它不仅使电子产品间可以进行无缝连接, 并可藉以上网, 因而日益受到消费者的欢迎。iSuppli公司日前发表的报告称, 今年世界WLAN (无线局域网) 芯片组出货量将成倍增长, 达到近7.4亿块, 并预测明年将突破10亿块大关, 2014年再创新高, 窜升到20亿块, 2010～14年间的年均增长率高达52%。
目前, WLAN芯片组主要釆用802.11n标准, 但其他标准如蓝牙、NFC (近距通信) 等也正被广泛釆用, ZigBee则有望在家庭自动化和智能大楼监控方面一显身手。世界最大的WLAN芯片制造商非博通莫属, 笔记本领域Atheros可称佼佼者, 我国台湾的雷凌则是后起之秀。