单片射频收发芯片A7105的原理与应用.doc

单片射频收发芯片A7105的原理与应用

摘要:本文对短距离RF的主流几种通信方式作了介绍，比较了各自的优缺点，以及采用低价RF专有方案的优点。同时基于无线发射芯片A7105(SH38L05)的RF短距离通信方案做了较为详细的介绍。
一:主流的三种RF方案及其优缺点比较
1）：蓝牙方案（IEEE802.15）
蓝牙协议允许数据在1个主设备和最多7个从设备，最高传输速率为723kbit/s。不过，实际实际的速率会比这个数值小。
高斯频移键控（GFSK）调制模式，在2.4G频段内使用83个1Mbps的频道。在送到载波之前，GFSK在基带信号上使用高斯过滤。可以平滑高电平（"1"）低电平"0"）。与频移键控（FSK）的直接方法相比，可以给传输信号提供一个较狭和"更干净"的频谱。
蓝牙设备有三种基本功率电平：1级（100米线视距）、2级（10米）和3级（2-3米）。目前常用的设备为2级。
在蓝牙网络中的每一个设备都有一个独一无二的48比特识别号码。第一个识别设备（通常在2秒钟内）成为主设备，接着设定为在频段中每秒使用1600次，所有网络中的其他设备将与这个主设备锁定并与其同步。主设备以偶时隙传送，从设备以奇时隙响应。网络中的从设备将被分配一个地址，并收听属于自己的时隙和地址信息。
从设备也可以进入低功耗的可能进入功率"探测"，"保持"和"停止"模式。在探测模式中，设备仅仅在指定的探测时隙中静听，但是保持同步。在保持模式中，设备进行收听来确定自身是否需要激活。在停止模式中，设备放弃它的地址。虽然在保持和停止模式下可以延长电池寿命省电，但这也这意味着，设备失去同步，同时重新建链将需要等待时间，这将耗时几秒钟，如果用户要求快速响应，这无疑是一个缺点。
蓝牙标准包括一系列的应用领域可供选择。不过，所有蓝牙的应用，都必须得到认可，并符合蓝牙标准，同时，所有用户必须是蓝牙特别的成员。
由于来自蓝牙专业组的商业压力，大部分应用领域都适用于移动电话上的媒体和文件的传输应用。因此，应用蓝牙来开发一些较为简单的应用是价值不高并且没有实用价值的。
2）：ZigBee（IEEE802.15.4）
ZigBee是最近推出的RF标准，为大量多节点、低功耗、低速率的无线监控应用而开发。
本标准定义为IEEE802.15.4,也是可靠性很高的一种简单数据协议。这包括通知每次传输的应答机制以及其他技术以保持信息的可靠性。ZigBee无须蓝牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。
像蓝牙那样，ZigBee工作在ISM 2.4GHz频段（5MHz 16频道）内。本标准也提供在欧洲868MHz（单频道）和US915MHz(2MHz 10频道)频段的版本。它保证250kbit/s的最高速率。
3）：专有方案（A7105方案，与nRF方案类似）
专有方案采用蓝牙的信道模式。专有方案将2.400~2.483GHz之间频带分成166个500KHz带宽的频道，而蓝牙分成83个频道，ZigBee为16频道相比（参见图2），与蓝牙与ZigBee相比，这使A7105专有方案在遭遇从拥挤的频段带来的干扰的时候有更多可用频率。
干扰处理
所有三种无线技术，即蓝牙、ZigBee和专有方案，都有减少在相同频段工作的RF设备干扰的机制。
蓝牙具有频率跳跃扩频（FHSS）机制，能确保79个1MHz频道均匀覆盖以避免不断的频道干扰。
ZigBee利用它的16个频段对付窄带干扰，因此当如果有其他802.11b/g设备的存在时，就更容易受到干扰，这就可能需要等待其他设备终止发送。
专有方案采纳一种更灵活的混合做法。由于它的输出功率适度，干扰不太可能发生。为了最低限度减少电流消耗和复杂性，专有方案不采用扩频模式，碰到干扰，只是简单地以单一频率传送，直至数据包到达为止。如果在发射的过程中需改变频率，则只需简单地通过SPI发送一个单字节命令即可。
有了166个500KHz频道，就可以避开其他设备应用上的传送频率而重新分配频率，即使在机场那样的"热点"，在几分钟乃至几个小时内，频率的重新分配频率也并不频繁。
至于无线鼠标，邻频抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠标（TX）到USB接收器（RX）的距离是从干扰源算起的一半，一般就不会产生干扰。这是因为根据RF理论，6dB的衰减等同于双倍的距离。
专有方案与其它两种方案的比较
首先，采用蓝牙方案与ZigBee方案的缺点：第一，为了符合标准，您得达到标准，这将使您付出高昂的NRE费用，用来开始设计和测试兼容性。第二，由于它的特性，标准必须是"一个尺码天下通用"的解决方法--在竞争日益激烈的全球化市场上，您的竞争者拥有与您一样的技术，很难分辨您的产品的优势。最后，标准提供的设计灵活性很小；例如在在您的RF产品上进行降低功耗的工作将会受到限制。
专有方案的优点：成本低,在要求一种产品需要电池寿命长和通信可靠以及实现低占空比方面，nRF专有方案比蓝牙和ZigBee做得更好。
有关的名词的解释:
FSK：频移键控，指用数字信号去调制载波的频率。其主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
GFSK：是高斯频移键控的简写，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。
二:RF IC(A7105)的主要性能
工作频率：2400~2483MHz ISM频段(全球免许可申请频段)。工作距离:10m内；
频道距离: 500KHz,一共可存在的频道数:~160个，即可以有效设定的频率范围是2400~2483MHz，每500KHz间隔可以设定一个频道,在同一空间里的不同RF设备,可以通过跳频来设定让其不在一个频道工作，以减少干扰。
低接收功耗：500Kbps@16mA； 低发送功耗：0dBm@19mA; 休眠电流：<1μA；输出功率：0dBm； 灵敏度：-110dBm@2.5KBPS, -104dBm@25KBPS,-97dBm@250KBPS,-93dBm@500KBPS, 数据传输速率：最高500Kbps; 基本应用：鼠标，键盘，玩具等。
数据传输速率：最高500Kbps;
基本应用：鼠标，键盘，玩具等。
三:RF系统示意图及与MCU的接口定义
对于RF IC—A7015，其控制是通过SPI(3或4线)串介面操作读出或写入资料(SCS,SCK,DIO或GIOx).如果想使用4线串列介面时,先确定要使用GIO1或GIO2 pin,做SPI data out.
   MCU与A7105的接口引脚说明：
   SCS：SPI使能；
   SCK：SPI clock信号；
   SDIO：SPI data信号；
   GIO1：多工信号输入/输出1，SPI data1；
   GIO2：多工信号输入/输出2：SPI data2；
四：RF IC(A7105)的两种数据传送模式
RF IC的工作模式：共有两种工作模式，一是direct mode，二是FIFO模式，不同的工作模式可由初始化时相应的寄存器设定。
Direct mode：提供使用者一个RF通道，在Tx端系统将资料传送给RF DATA IO PIN，RF仅将资料做调制，然后发射出去。RX端采用数位解调方式，还原资料。
FIFO mode：时序如下：
1）：Tx数据的传送时序：先用SPI将data写入Tx  FIFO（最大可以写入64bytes），写入命令，使RF IC进入到Rx模式，开始传送数据，直到传送完成后，回到原先的状态。
2）：Rx数据的传送时序：写入命令，使RF IC进入到Rx状态，当接收到相同的ID CODE后PIN RX_SYN会置为1,此时,接收到的data开始写入Rx FIFO,完成一资料包接收后,自动脱离Rx,回到原先的状态.
五:A7105与MCU进行RF通信的实现方法
1．如何进行两个RF IC的配对(link):
在两个RF IC进行通信前,必须先进行配对(Link),两个RF IC在发射与接收数据时,使用相同的ID与频道,这样才能够进行正常通信.
在对码时,通常情况下Master与Slave应用一个相同的频率,例如Master用做Tx时设定的频率为2.405GHz,Slave用做Rx时设频率为2.4055MHz.即Tx应比Rx高一个带宽（500KHz）。
Link的步骤如下:
主机（Key/mouse端）
在从机端，只有进入对码模式时，则进入rx_mode，检测是否有接收到ID码，如果接收到后，将工作状态转换至Tx_mode，向主机发送默认的数据,表示对码OK,同时将接收到的RF ID进行保存.    
2．RF抗干扰的相关处理
1）：跳频与扩频的区别
跳频的STEP为20MHz。
直扩频：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，简称直扩方式（DS方式）。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。
直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。接受机在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电路来捕获发送来到伪码精确相位，并由次产生跟发送端的伪码相位完全一致的伪码相位，作为本地解扩信号，以便能够及时恢复出数据信息，完成整个直扩通信系统的信号接收。
跳频：跳频技术与直序扩频技术完全不同，是另一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端，接收机频率合成器受伪随机码控制，并保持与发射端变化规律相同。　
跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统，由于不能抗多径，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰，定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输，当定频干扰只占一部分时不会对语音通信造成很大的影响。