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一：主流的三種RF方案及其優缺點比較 1）：藍牙方案（IEEE802.15） 藍牙，是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網Internet之間的通信，從而數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段。其數據速率為1Mbps.采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。 信息時代最大的特點便是更加方便快速的信息傳播，正是基于這一點，技術人員也在努力開發更加出色的信息數據傳輸方式。藍牙，對于手機乃至整個 IT業而言已經不僅僅是一項簡單的技術，而是一種概念。當藍牙聯盟信誓旦旦地對未來前景作著美好的憧憬時，整個業界都為之震動。拋開傳統連線的束縛，徹底地享受無拘無束的樂趣，藍牙給予我們的承諾足以讓人精神振奮。 藍牙協議允許數據在1個主設備和最多7個從設備，最高傳輸速率為723kbit/s.不過，實際實際的速率會比這個數值小。 高斯頻移鍵控（GFSK）調制模式，在2.4G頻段內使用83個1Mbps的頻道。在送到載波之前，GFSK在基帶信號上使用高斯過濾。可以平滑高電平（“1”）低電平（“0”）。與頻移鍵控（FSK）的直接方法相比，可以給傳輸信號提供一個較狹和“更干凈”的頻譜。 藍牙設備有三種基本功率電平：1級（100米線視距）、2級（10米）和3級（2-3米）。目前常用的設備為2級。 在藍牙網絡中的每一個設備都有一個獨一無二的48比特識別號碼。第一個識別設備（通常在2秒鐘內）成為主設備，接著設定為在頻段中每秒使用1600次，所有網絡中的其他設備將與這個主設備鎖定并與其同步。主設備以偶時隙傳送，從設備以奇時隙響應。網絡中的從設備將被分配一個地址，并收聽屬于自己的時隙和地址信息。 從設備也可以進入低功耗的可能進入功率“探測”，“保持”和“停止”模式。在探測模式中，設備僅僅在指定的探測時隙中靜聽，但是保持同步。在保持模式中，設備進行收聽來確定自身是否需要激活。在停止模式中，設備放棄它的地址。雖然在保持和停止模式下可以延長電池壽命省電，但這也這意味著，設備失去同步，同時重新建鏈將需要等待時間，這將耗時幾秒鐘，如果用戶要求快速響應，這無疑是一個缺點。 2）：ZigBee（IEEE802.15.4） Zigbee是IEEE 802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。 在藍牙技術的使用過程中，人們發現藍牙技術盡管有許多優點，但仍存在許多缺陷。對工業，家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規模太小等，而工業自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈，而且，對于工業現場，這種無線數據傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此，經過人們長期努力，ZigBee協議在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網絡的通信協議Home RF Lite. 本標準定義為IEEE802.15.4，也是可靠性很高的一種簡單數據協議。這包括通知每次傳輸的應答機制以及其他技術以保持信息的可靠性。ZigBee無須藍牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。 像藍牙那樣，ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段（5MHz 16頻道）內。本標準也提供在歐洲868MHz（單頻道）和US915MHz（2MHz 10頻道）頻段的版本。它保證250kbit/s的最高速率。 3）：專有方案（A7105方案，與nRF方案類似） 專有方案采用藍牙的信道模式。專有方案將2.400~2.483GHz之間頻帶分成166個500KHz帶寬的頻道，而藍牙分成83個頻道，ZigBee為16頻道相比（參見圖2），與藍牙與ZigBee相比，這使A7105專有方案在遭遇從擁擠的頻段帶來的干擾的時候有更多可用頻率。 干擾處理 所有三種無線技術，即藍牙、ZigBee和專有方案，都有減少在相同頻段工作的RF設備干擾的機制。 藍牙具有頻率跳躍擴頻（FHSS）機制，能確保79個1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾。 ZigBee利用它的16個頻段對付窄帶干擾，因此當如果有其他802.11b/g設備的存在時，就更容易受到干擾，這就可能需要等待其他設備終止發送。 專有方案采納一種更靈活的混合做法。由于它的輸出功率適度，干擾不太可能發生。為了最低限度減少電流消耗和復雜性，專有方案不采用擴頻模式，碰到干擾，只是簡單地以單一頻率傳送，直至數據包到達為止。如果在發射的過程中需改變頻率，則只需簡單地通過SPI發送一個單字節命令即可。 有了166個500KHz頻道，就可以避開其他設備應用上的傳送頻率而重新分配頻率，即使在機場那樣的“熱點”，在幾分鐘乃至幾個小時內，頻率的重新分配頻率也并不頻繁。 專有方案與其它兩種方案的比較 首先，采用藍牙方案與ZigBee方案的缺點：第一，為了符合標準，您得達到標準，這將使您付出高昂的NRE費用，用來開始設計和測試兼容性。第二，由于它的特性，標準必須是“一個尺碼天下通用”的解決方法--在競爭日益激烈的全球化市場上，您的競爭者擁有與您一樣的技術，很難分辨您的產品的優勢。最后，標準提供的設計靈活性很小；例如在在您的RF產品上進行降低功耗的工作將會受到限制。 專有方案的優點：成本低，在要求一種產品需要電池壽命長和通信可靠以及實現低占空比方面，nRF專有方案比藍牙和ZigBee做得更好。 有關的名詞的解釋： FSK（Frequency-shift keying）是信息傳輸中使用得較早的一種調制方式，它的主要優點是： 實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。最常見的是用兩個頻率承載二進制1和0的雙頻FSK系統。 技術上的FSK有兩個分類，非相干和相干的FSK 。 在非相干的FSK ，瞬時頻率之間的轉移是兩個分立的價值觀命名為馬克和空間頻率，分別為。 在另一方面，在相干頻移鍵控或二進制的FSK ，是沒有間斷期在輸出信號。 高斯頻移鍵控 GFSK - Gauss frequency Shift Keying ，是在調制之前通過一個高斯低通濾波器來限制信號的頻譜寬度。GFSK 高斯頻移鍵控 調制是把輸入數據經高斯低通濾波器預調制濾波后，再進行FSK調制的數字調制方式。它在保持恒定幅度的同時，能夠通過改變高斯低通濾波器的3dB帶寬對已調信號的頻譜進行控制，具有恒幅包絡、功率譜集中、頻譜較窄等無線通信系統所希望的特性。因此，GFSK調制解調技術被廣泛地應用在移動通信、航空與航海通信等諸多領域中。 二：RF IC（A7105）的主要性能 工作頻率：2400~2483MHz ISM頻段（全球免許可申請頻段）。工作距離：10m內； 頻道距離： 500KHz，一共可存在的頻道數：~160個，即可以有效設定的頻率范圍是2400~2483MHz，每500KHz間隔可以設定一個頻道，在同一空間里的不同RF設備，可以通過跳頻來設定讓其不在一個頻道工作，以減少干擾。 低接收功耗：500Kbps@16mA; 低發送功耗：0dBm@19mA; 休眠電流：《1μA;輸出功率：0dBm; 靈敏度：-110dBm@2.5KBPS， -104dBm@25KBPS，-97dBm@250KBPS，-93dBm@500KBPS， 數據傳輸速率：最高500Kbps; 基本應用：鼠標，鍵盤，玩具等。 數據傳輸速率：最高500Kbps; 基本應用：鼠標，鍵盤，玩具等。 三：RF系統示意圖及與MCU的接口定義 對于RF IC-A7015，其控制是通過SPI（3或4線）串介面操作讀出或寫入資料（SCS，SCK，DIO或GIOx）。如果想使用4線串列介面時，先確定要使用GIO1或GIO2 pin，做SPI data out. MCU與A7105的接口引腳說明： SCS:SPI使能； SCK:SPI clock信號； SDIO:SPI data信號； GIO1：多工信號輸入/輸出1，SPI data1; GIO2：多工信號輸入/輸出2:SPI data2; MCU與RF IC是通過SPI進行通信的，SPI的格式如下所示 四：RF IC（A7105）的兩種數據傳送模式 RF IC的工作模式：共有兩種工作模式，一是direct mode，二是FIFO模式，不同的工作模式可由初始化時相應的寄存器設定。 Direct mode：提供使用者一個RF通道，在Tx端系統將資料傳送給RF DATA IO PIN，RF僅將資料做調制，然后發射出去。RX端采用數位解調方式，還原資料。 FIFO mode：時序如下： 1）：Tx數據的傳送時序：先用SPI將data寫入Tx FIFO（最大可以寫入64bytes），寫入命令，使RF IC進入到Rx模式，開始傳送數據，直到傳送完成后，回到原先的狀態。 2）：Rx數據的傳送時序：寫入命令，使RF IC進入到Rx狀態，當接收到相同的ID CODE后PIN RX_SYN會置為1，此時，接收到的data開始寫入Rx FIFO，完成一資料包接收后，自動脫離Rx，回到原先的狀態。 五：A7105與MCU進行RF通信的實現方法 1.如何進行兩個RF IC的配對（link）： 在兩個RF IC進行通信前，必須先進行配對（Link），兩個RF IC在發射與接收數據時，使用相同的ID與頻道，這樣才能夠進行正常通信。 在對碼時，通常情況下Master與Slave應用一個相同的頻率，例如Master用做Tx時設定的頻率為2.405GHz，Slave用做Rx時設頻率為2.4055MHz.即Tx應比Rx高一個帶寬（500KHz）。 Link的步驟如下： 主機（Key/mouse端） 在從機端，只有進入對碼模式時，則進入rx_mode，檢測是否有接收到ID碼，如果接收到后，將工作狀態轉換至Tx_mode，向主機發送默認的數據，表示對碼OK，同時將接收到的RF ID進行保存。 2.RF抗干擾的相關處理 1）：跳頻與擴頻的區別 跳頻的STEP為20MHz. 直擴頻：直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，簡稱直擴方式（DS方式）。就是用高速率的擴頻序列在發射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。 直接序列擴頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進行調制，要傳送的數據信息需要經過信道編碼后，與偽噪聲序列進行模2和生成復合碼去調制載波。接受機在收到發射信號后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發送來到偽碼精確相位，并由次產生跟發送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位，作為本地解擴信號，以便能夠及時恢復出數據信息，完成整個直擴通信系統的信號接收。 跳頻：跳頻技術與直序擴頻技術完全不同，是另一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內，其頻率合成器按PN碼的隨機規律不斷改變頻率。在接收端，接收機頻率合成器受偽隨機碼控制，并保持與發射端變化規律相同。 跳頻是載波頻率在一定范圍內不斷跳變意義上擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當于瞬時的窄帶通信系統，基本等同于常規通信系統，由于不能抗多徑，同時發射效率低，同樣發射功率的跳頻系統在有效傳輸距離上小于直擴系統。跳頻的優點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用于語音信息的傳輸，當定頻干擾只占一部分時不會對語音通信造成很大的影響。 跳速的高低直接反映跳頻系統的性能，跳速越高抗干擾的性能越好，軍事上的跳頻系統可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信GSM系統也是跳頻系統，其規定的跳速為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統可以簡單的實現，因此低速無線局域網產品常常采用這種技術。 2）：RF IC在通信中實現抗干擾的兩種種方法 通常情況下，嚴格意義上的跳頻只用在軍用與高端的GSM等無線通信系統中，對于成本低的RF通信系統，因為其本身的傳輸距離近（10M內），相互之間的干擾就小，所以可以采取讓Tx多次發射直到Rx收到并返回接收標志位為止。另外一種采用的是有限跳頻的工作方式，即在傳送完成數據后，判斷Rx是否接收到，如果沒有接收到，則改變傳送的頻率（例如增加20MHz），再向Rx發一個同步信號，然后繼續傳送。這種方式實現簡單，但是抗干擾性比嚴格意義上的跳頻方式差。 3.MCU通過RF IC進行通信的方式 MCU按其存儲器類型可分為無片內ROM型和帶片內ROM型兩種。對于無片內ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應用（典型芯片為8031）。帶片內ROM型的芯片又分為片內EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內FLASH型（典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內一次性可編程ROM（One Time Programming， OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。MASKROM的MCU價格便宜，但程序在出廠時已經固化，適合程序固定不變的應用場合；FALSHROM的MCU程序可以反復擦寫，靈活性很強，但價格較高，適合對價格不敏感的應用場合或做開發用途；OTPROM的MCU價格介于前兩者之間，同時又擁有一次性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應用場合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產的電子產品。 將兩個RF芯片對碼后，就可以用來傳送數據了。Rx先將收到的信號解調出來，再與自身存的RF ID碼進行確認，判斷一致后，才開始存儲接收到的數據，并根據相應的FEC或CRC位對數據進行校驗。接收完成后，MCU讀取Rx的FIFO，即可得到傳送的數據。 兩種傳送數據的模式是：Direct mode與FIFO mode. 六：RF IC（A7105）的工作狀態及相互轉換 A7105 RF CHIP有6個主要的state，sleep state，STB state，WPLL state，TX state ，CAL state. 1. SLEEP state：當進入sleep state時，chip內部參考電壓源（band gap）及crystal振蕩電路會關閉。 2. STB state:STB state包含IDLE mode，Standby mode和PLL mode.RF IC依據strobe command來進到任一個mode. 1） IDLE mode時，IC內部參考電壓源開啟，而crystal及PLL關閉 2） Standby mode：當Power on或reset時，RF IC會進入standby mode，此時regulator，參考電源與crystal開啟 3） PLL mode:IC內部參考電壓源，振蕩與PLL都開啟。 3. WPLL（waiting PLL）state：當任何state進入TX/TX state時，會依據目前的state或是控制暫存器PLL I，PLLII，PLL III，PLL IV設定值是否變動，而進入此state或是直接bypass該state，進入Tx/Rx state. 4. TX/RX state:RF IC會依照門控命令（strobe command）來決定進入TX或是RX state. 當使用RFO mode工作在TX STATE時，RF chip會自動將TX封包（Preamble+ID+TX FIFO payload）傳送出去，若傳送結束，RF chip會回到原先的state. 當使用FIFO mode工作在RX state時，RF chip會進入RX state等待Tx資料，若Tx端確實有發射資料，則當ID code判斷正確后且收到設定的資料長度后，RF chip會自動回到原先的state. 5. CAL state：在CAL state中，有三個獨立的校準項目，在STB state下，當相應的寄存器被使能時，會進入到IF filter校準，VCO band，VCO 電流校準程序。完成校準程序后，相應的標志位清零，且回到STB state. 七：RF IC（A7105）應用需注意的事項 1. A7105的工作電流與工作電壓，以及如何進入省電模式 當IC工作在Rx狀態時，最大耗電流：16mA;工作在Tx狀態時，最大耗電流：19mA; RF輸出最大功率：0dbm; 在傳送/接收完數據后，如果系統想達到省電之目地，可以進入SLEEP 模式，耗電流《1uA. RF IC在完成工作后，可以直接由MCU發送Strobe命令使其進入SLEEP狀態，但是應注意，在進入SLEEP狀態之前，先進行TWOR或WOR的設定。 2. 省電模式的工作過程（TWOR與WOR簡介） TWOR（Wake up On Radio using Timer）： RF IC內建一個Timer與一個低速的RC OSC，當系統想要省電時，就可以讓系統進入SLEEP狀態，之后每間隔一定時間，發一個信號喚醒MCU重新回復工作狀態，處理RF事件，這就是TWOR功能。 WOR（Wake up On Radio）： 也是利用RF IC內建Timer或低速RC OSC，當時間到后，只喚醒RF IC進入工作狀態，除非有收到信號才喚醒MCU起來接收數據。 3. Data傳送速率： 最小的傳送速率為：10KBps，最大為500KBps，但是在傳送數據時，越接近傳送速率的上限，則Rx端的接收靈敏度就越低。即在滿足最小傳送速率的情況下，適當的降低傳送速率，可以提高Rx接收靈敏度，擴大接收的距離。 4. RF IC（A7105）的工作頻率與工作頻道數 A7105的工作頻率為2400~2483MHz，即在初始化Tx/Rx時，必須將工作頻率設定在此范圍之內。 每個頻道占用的帶寬為500KHz，即在2400~2483頻率范圍內，有約160個頻道。 5. 在設定Tx與Rx工作頻率以及在工作過程中相互轉換時，應始終保證Rx與Tx相比，頻率相差一個中頻（對于A7105，是500KHz），這點與其它的RF系統是一樣的。 6. A7105的應用范圍 作為一個低成本的RF發射/接收的方案，A7105應用一相對傳輸數據量不大，要求成本低，待機電流小的場合。例無線遙控，無線鼠標，無線鍵盤以及無線搖桿等。 來源：電子工程網 |
