用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机

摘要

本发明涉及一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机，包括发射机电路和接收机电路。所述发射机电路包括：LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；信号调制器将方波基带信号调制到载频信号上形成发射信号；功率放大器用于放大发射信号。所述接收机电路包括：低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；用于将放大的信号解调出来；模数转换器将解调出的模拟信号转换为数字信号。本发明将使得物联网无线节点的传输功耗显著降低。

说明书

技术领域

本发明涉及无线节点的极低功耗技术领域，特别是涉及一种用于物联网短距离无线互 联无线节点的超低功耗收发机。

背景技术

自从物联网(Internet of Things)的概念诞生，在学界和工业界掀起了研究浪潮。无线 节点是物联网、短距离无线互联及信息传输的基本物理组成部分和组网元件，随着城市 的无线通信技术应用和发展，对无线节点性能提出了新的要求，可以概括为以下三点：1) 低成本；2）小尺寸；3)低功耗，其中低功耗是最苛刻的要求。虽然在低功耗技术方面取 得了一些进展，但是还远远不能满足低功耗的要求。

资料表明西方国家包括美国以及德国、法国、比利时、瑞典等欧洲国家以及亚洲国 家韩国、日本在降低无线系统功耗问题上投入了大量的研究。加州大学洛杉矶分校 （UCLA）的无线集成网络传感器实验室，主要研发低功耗的无线传输网路，以及相应 的电路。麻省理工学院（MIT）Anantha P.Chandrakasan曾于2007年在固态电路杂志 （JSSC）一篇能量有效ASK收发机，该收发机能够降低功耗并有效地利用能量。加州 大学伯克利分校从事这方面的研究更多，Jan Rabaey在加州大学伯克利分校组建了 PicoRadio Project，针对高密度无线网络中超低功耗无线节点的研究。同时还有一些大型 的公司参与推出的物联网节点电路，企图采用低功耗设计并将其作为市场定位和买点， 如Noordic Semiconductor(瑞典)的ANT物联网组网芯片以及TI的CC1000和CC1100及 CC2430芯片系列。国内无线系统超低功耗技术相关的研究刚刚起步，还远远地落后于国 外。目前，没有实际可用的技术报告出来。

虽然国内外针对物联网、短距离无线互联及信息传输的超低功耗技术都有相关的研究 报道，但是仍然大部分处于研发的阶段，存在着一些问题而不能推向市场。一方面由于为 了满足电路工作的要求而使用生产的成本较高，比如大部分收发机采用一些高性能的滤波 器如体声波BAW、表面波SAW和薄膜腔声谐振器（FBAR）。这些虽能够提高收发机的性 能，但体积比较大、成本较高。另一方面，由于国家之间的频率分配标准不一样，研究适 用于中国物联网频段的无线节点收发机电路，目前仍远落后于国外。比如，国外大部分收 发电路的工作频率2.4GHz、915MHz，而国内相关的工作频率为780MHz/433MHz，并且 也没有相应的高性能的滤波器产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低 功耗收发机，使得物联网无线节点的功耗降低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于物联网短距离无线互联无 线节点的超低功耗收发机，包括发射机电路和接收机电路，所述发射机电路包括级联的LC 压控振荡器、预分频器、曼彻斯特编码和调制器、功率放大器；所述LC压控振荡器和预 分频器用于产生载频信号；所述曼彻斯特编码器和调制器将基带信号编码、调制到载频信 号上形成发射信号；所述功率放大器用于放大发射信号；所述接收机电路包括级联的低噪 声放大器、射频自动增益放大器、差分解调器和曼彻斯特解码器以及模数转换器；所述低 噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；所述差分解调器和曼彻斯特解码 器用于将放大的信号解调和解码；所述模数转换器将解调和解码的模拟信号转换为数字信 号。

所述曼彻斯特编码和调制器和模数转换器之间还设有限幅器；所述限幅器用于限制解 调器输出的信号幅值。

所述LC压控振荡器采用LC谐振回路实现。

所述功率放大器为包含有多个档位的功率放大器，并采用调节L型匹配电路。

所述低噪声放大器采用L型输入匹配电路。

所述射频自动增益放大器为多级射频自动增益放大器。

所述模数转换器为1bit模数转换器。

所述的超低功耗无线收发机用于物联网、短距离无线互联及信息传输。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果： 本发明采用结构简化、高能量效率的收发机架构，避免了高功耗模块比如混频器和本地振 荡器的使用，能够进一步的减少功耗。本发明采用了无额外滤波器的L型低噪声放大器， 能够大大的减少接收机电路的功耗。本发明采用多档放大的自动增益放大器，在合适的设 计情况下，收发机电路的接收灵敏度可达到-80dBm。

附图说明

图1是本发明中发射机电路结构方框图；

图2是本发明中接收机电路结构方框图；

图3是本发明的PCB电路连接原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。

本发明的射频收发机系统电路，以低成本的780MHz载频的信号进行收发。该系统包 括780MHz收发机芯片和芯片外围的匹配电路、测试点和控制引脚。芯片裸片尺寸 1mm*1mm，主要包括发射机电路（TX）和接收机电路（RX），并且能够通过天线进行无 线收发信号。其中，发射机电路如图1所示，包括：级联的LC压控振荡器、预分频器、 曼彻斯特编码器和调制器、带有三个档位的功率放大器和发射天线；接收机电路如图2所 示，包括：级联的接收天线、高低模式低噪声放大器、四级射频自动增益放大器、差分解 调器和曼彻斯特解码器和1bit模数转换器。本发明不使用高性能的滤波器，为低成本、低 功耗的收发机，能够发射和接收780MHz载频的信号，适用于物联网、短距离无线互联及 信息传输。

所述LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；所述曼彻斯特编码器和调制器将 基带信号调制到载频信号上形成发射信号；所述功率放大器用于放大发射信号；所述发射 天线将功率放大器放大的信号发射；所述接收天线用于接收发射天线发射的信号；所述低 噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；所述差分解调器和曼彻斯特解码 器用于将放大的信号解调和解码；所述模数转换器将解调和解码的模拟信号转换为数字信 号。

所述差分解调器和曼彻斯特解码器和模数转换器之间还设有限幅器；所述限幅器用于 限制差分解调器和曼彻斯特解码器输出的信号幅值，避免噪声的干扰。

其中，压控振荡器采用LC谐振回路实现，不带有锁相环，能够减少所述收发机的功 耗，同时产生所述收发机需要的载频。功率放大器为包含有三个档位的功率放大器，从而 能够根据功率放大器档位发射不同的功率的信号，以便于检测发射电路的工作。同时所 述功率放大器采用调节L型匹配电路，最大程度放大信号。曼彻斯特编码器和调制器能够 将基带信号调制到收发机的载频信号，使发射机电路发射780MHz的信号。所述低噪声放 大器采用简单的L型输入匹配电路，没有使用高性能的滤波器如体声波BAW、表面波SAW 和薄膜腔声谐振器（FBAR），而能够提高所述收发机的灵敏度。所述射频自动增益放大器 为四级射频自动增益放大器，可实现多档控制放大，能够使收发机接收不同的输入信号。 所述模数转换器采用1比特模数转换器，由于所述收发机的基带信号是比较简单的信号， 只需要1比特就可以处理信号。

如图3所示，采用PCB进行测试，其中PCB测试板用到4个MP2000-ADJ型号的LDO 芯片，这4个LDO芯片分别给RX_VDD，TX_VCO_VDD，PA_VDD和MAX3013_VDD12 提供1.2v的电压，其整个PCB板采用3.3v统一供电，而收发电路工作电压为1.2V，所以 需要进行电平转换。采用MP2000-ADJ型号的LDO芯片的输入端连接到3.3v电压，通过 20K的可变电阻进行分压，使得输出电压为1.2V，然后在通过PCB上的Jump连接到芯片 相应的VDD端口，控制芯片的工作。

当单独控制TX电路时，U10的1端和2端连接起来，通过对U1跳线来灵活选择接 地电平还是高电平；由外部电路来控制TX时，U10的2端和3端连接起来，U6的1端和 2端连接起来。U19和U20控制发射机接通TX_VCO_VDD，通过片外20K可变电阻R1 和电阻R2分压，调整压控振荡器的电压Tx_Vtrl能够有效的控制LC压控振荡器产生的频 率，然后经过预二分频器获得所需要的载波。TX_DATA_IN端口的控制，由U27和U30 组成。当IOT芯片的TX_DATA_IN端口接地时，U27的2端和3端连接起来，U30的1 端和2端连起接来；当IOT芯片的TX_DATA_IN端口接VDD时，U27的2端和3端连接 起来，U30的2端和3端连起接来；当IOT芯片的TX_DATA_IN端口接片外的基带数据 输入时，U27的1端和2端连接起来。PA_GM<0>和PA_GM<1>（U17和U18）可以控制 发射机PA的工作模式。当U17的1端和2端连接和U18的2端和3端连接时，PA工作 在低功耗模式输出功率下为-1dbm；当U17的2端和3端连接和U18的1端和2端连接时， PA工作在中等功耗模式下输出功率为4dbm；当U17的1端和2端连接和U18的1端和2 端连接时，PA工作在高功耗模式下输出功率为9dbm。同时L型L3、C19为PA的匹配电 路，当PA的输出功率处于不同低档时，可以调节L型匹配电路，从而提高PA的输出效 率。

当单独控制RX电路时，U12的1端和2端连接起来，通过对U3跳线来灵活选择接 地电平还是高电平；由外部电路来控制RX时，U12的2端和3端连接起来，U8的1端和 2端连接起来。U33控制整个接收机的供压，当RX正常工作时，应使其连接。L4和C22 构成RX_LNA_IN的L型匹配网络，调试L型匹配网络，使S11在780M附近小于-12db。 RX_LNA_OUT端口接片外的L5、C29构成的并联谐振负载，已获得最大增益。射频自动 增益放大器（RF PGA）有四个不同的档位，每个档位最高增益10db，由U50、U51、U52、 U53和U54控制RF PGA的这四个档位。然后采用差分解调器进行双端输出。在经过1bit 模数转换，输出所需要的解调信号。其中接收机的总噪声公式： $F_{\mathrm{tot}}={2F}_{\mathrm{amp}}+\frac{N_{o,\mathrm{ED}}}{N_{\mathrm{src}}{A_{\mathrm{amp}}}^2{k_{\mathrm{ED}}}^2}+\frac{N_{\mathrm{self},\mathrm{RF}}}{N_{\mathrm{src}}{A_{\mathrm{amp}}}^2{k_{\mathrm{ED}}}^2},$其中F_amp和A_amp是RF射频前端的噪声系数和 增益，k_ED和N_o,ED是差分解调器的增益和输出噪声，N_self，RF是射频前端的自相混频噪 声，N_rsc是源级晶体管噪声。射频前端的低频噪声可以忽略因为在射频自动增益放大器和 包络噪声交流耦合。接收机的灵敏度公式：

P_in,min＝-174dbm/Hz+NF_tot+10logBW_det+SNR_out,min

其中BW_det是差分解调器的-3db带宽。接收机的灵敏度能够达到-82dbm在BER为 0.001。最后，通过测试点U40查看接收机的输出。

采用两块PCB板，一块作为发射机，一块作为接收机，在不同的发射机输出功率和不 同的接收机的增益模式下，调试满足BER是0.001的条件下的收发距离及节点通信距离。 步骤：（1.）先调试控制位和供压，以保证TX和RX正常工作；（2.）TX和RX单独与 仪器进行无线收发；（3.）TX和RX进行无线收发信号。

一块PCB接收机电路单独进行无线发射信号：

①打开TX电路：Tx_PD接0，U10的1端和2端连接起来，U1的2端和3端连接起 来；

PA_PD接0，U11的1端和2端连接起来，U2的2端和3端连接起来；

②关闭Rx电路：Rx_PD接1，U12的1端和2端连接起来，U3的1端和2端连接起 来；

关闭Wake_up，U13的1端和2端连接起来，U4的1端和2端连接起来；

③打开VCO：U19连上；

④连接Vctrl：U20连上，调整可变电阻使得Vctrl=420mV，输出相应780MHz载波；

⑤连接PA_VDD：U29连上；

⑥Tx_Data_In接入控制信号，U30，U27；其中0表示无信号，1表示正弦780MHz 射频信号；接入“0101”序列的方波信号，输出为780MHz的ASK信号；

⑦输出功率调整：U17、U18；其中U17为PA GM<0>，U18为PA GM<1>；

用直流电源提供1.2V的偏压确保发射机的DC工作点正常，同时保证Bandgap为 766mV。因为当BG_EXT_CTRL和IB_CTRL均设为0，Bandgap为766mv表示发射机能 够正常的工作。控制Tx_Vtrl两端电压，通过调节可变电阻R1和R2使得发射780MHz载 波信号。然后用任意波形发生器产生幅度1.2V，500K的“0101”序列的方波信号。通过U27 的1端和2端连接起来的Jump，将基带数据接入到芯片。U42放置发射天线，示波器放置 接收天线。发射机即可进行无线发射信号，并通过示波器查看输出ASK信号。U17和U18 控制PA不同的档位，可以观察输出信号幅度的变化。

另一块PCB发射机电路单独进行无线接收信号：

①打开Rx电路：Rx_PD接1，U12的1端和2端连接起来，U3的2端和3端连接起 来；

关闭Wake_up，U13的1端和2端连接起来，U4的1端和2端连接起来；

②关闭TX电路：Tx_PD接0，U10的1端和2端连接起来，U1的1端和2端连接起 来；

PA_PD接1，U11的1端和2端连接起来，U2的1端和2端连接起来；

③关闭VCO：U19断开；

④Vctrl不连上U20断开，同时PA断开电源U29断开。

⑤U39连上：给Rx和Ibias供电；

⑥U40连上，方便测Rx输出信号。

用直流电源提供1.2V的偏压保证接收机的DC工作点正常。用信号发生器产生幅度 780MHz，数据率为500Kbps，“0101”序列的ASK信号，并接上发射天线。同时U43放置 接收天线。接收机即可进行无线发射信号，并通过示波器连接U40查看输出。调节信号发 射器不同的发射功率，不同的传输数据率以及U50-U54控制RF PGA不同的档位，可以观 察输出信号的变化。并且能够判断接收机的灵敏度和最佳的工作状态。

按照上述发射机和接收机的无线收发进行设置，首先保证发射机和接收机单独可以进 行无线收发信号。然后，发射机通过天线由U42发出，接收机由U43进行无线接收发射机 的信号。再通过示波器测量U40输出的信号。最后，可以根据需要合适的调节接收的灵敏 度、消耗的功耗和基带信号。