基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的低中頻接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堵會曉， 高同輝

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

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基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的低中頻接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堵會曉， 高同輝

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化與信息工程系， 河南 平頂山 467001)

介紹了一種遵循藍(lán)牙低功耗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的低中頻接收器的完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，討論了每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，以使總體設(shè)計(jì)達(dá)到最先進(jìn)的低功耗標(biāo)準(zhǔn)。最后，由選定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定ADC的參數(shù)要求。本設(shè)計(jì)可以為低功耗復(fù)雜低中頻接收器設(shè)計(jì)提供參考，系統(tǒng)能夠達(dá)到最小信噪比和更佳動態(tài)范圍的要求。

藍(lán)牙； 低功耗； 低中頻接收器； 高斯頻移鍵控

0 引 言

藍(lán)牙技術(shù)能夠支持便攜式計(jì)算機(jī)、移動電話以及其它移動設(shè)備之間的相互通訊，是目前具有領(lǐng)導(dǎo)地位的短距離無線通訊技術(shù)。便攜式無線電子設(shè)備中一個(gè)重要的消費(fèi)需求就是在降低成本的同時(shí)增加使用時(shí)間。藍(lán)牙低功耗技術(shù)[1]是新一代的藍(lán)牙技術(shù)，只需要消耗以前藍(lán)牙十分之一的能量就可以達(dá)到相同的效果，可以使移動設(shè)備變得更高效且續(xù)航時(shí)間更長，特別是針對短續(xù)航時(shí)間的通訊系統(tǒng)。

從藍(lán)牙最新的標(biāo)準(zhǔn)制定到現(xiàn)在只有一小部分產(chǎn)品使用了藍(lán)牙低功耗技術(shù)，本文依據(jù)藍(lán)牙低功耗標(biāo)準(zhǔn)對其低中頻接收器進(jìn)行系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)需求

根據(jù)低功耗系統(tǒng)規(guī)范，低功耗藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)層級的設(shè)計(jì)需求較為寬松。根據(jù)BLE標(biāo)準(zhǔn)[2]，調(diào)制方式為高斯頻移鍵控(Gauss Frequency Shift Keying ,GFSK)[3]，突發(fā)容限為0.5，調(diào)制指數(shù)為0.45～0.55。對于10-3的誤碼率，參考靈敏度定義為-70 dBm。在干擾的情況下，接收機(jī)的靈敏度應(yīng)超過-67 dBm。在線性測試中，在兩個(gè)功率電平為-50 dBm的干擾信號作用下，接收器的靈敏度必須滿足-64 dBm。

2 接收器設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)溥x擇

BLE采用調(diào)制指數(shù)為0.5的高斯頻移鍵控(Gauss Frequency Shift Keging, GFSK)調(diào)制，GFSK調(diào)制具有容易實(shí)現(xiàn)、實(shí)用頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、抑制帶外輻射、壓縮信號功率等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的GFSK調(diào)制參數(shù)如圖1所示，圖中，中心頻率是2.44 GHz，橫軸每格間距為500 kHz。其中高斯頻譜可以被看作帶寬稍大于常規(guī)藍(lán)牙，大部分所接收的信號的能量集中在頻譜的中部，由于直流偏移和1/f噪聲問題，這限制了直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)在接收機(jī)中的使用。另一方面，由于BLE系統(tǒng)目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域是在無線通信中，這要求便攜式設(shè)備的接收器應(yīng)為低功耗，因此低中頻接收器的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有理想的功耗與性能。此外，通過多相中低頻濾波器與復(fù)雜ADC的級聯(lián)[6]，對頻譜一側(cè)的信號處理節(jié)省了一半功耗。由此最佳拓?fù)浣鉀Q方案如圖2所示。由于所設(shè)計(jì)的接收器是用于使用電池的場合，本設(shè)計(jì)將使用1.2 V的電壓源，這將影響到后面各級的參數(shù)。

圖1 低功耗藍(lán)牙的頻譜

圖2 低中頻系統(tǒng)的接收機(jī)最佳拓?fù)鋱D

2.2 層級設(shè)計(jì)

本節(jié)將給出用于BLE接收器的復(fù)雜低中頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊參數(shù)。此外，對于性能的折中方案將用來決定ADC的規(guī)格，接收器的總噪聲指數(shù)NF由下式給出：

NF=Pmin-10lg(kT)-10lg(BW)-SNRmin

(1)

其中:Pmin是在由系統(tǒng)規(guī)格中定義的接收器的輸入端的最小可檢測信號;SNR是信噪比;BW是接收信號的帶寬;SNRmin是成功解調(diào)該信號所需的最小SNR,

(2)

Eb和N0代表每比特和噪聲譜密度;R和ENB的能量分別是比特率和有效的噪聲帶寬。因?yàn)樵诮庹{(diào)之前ENB是受濾波器影響的參數(shù)之一，解調(diào)類型和拓?fù)錄Q定了所需的SNR限制[7]。選擇解調(diào)器后，首先，解調(diào)測試開始，并且將所得的信噪比與誤碼率(SNR與BER)曲線示于圖3。

圖3 選定的解調(diào)器的SNR與BER曲線

為了安全考慮，SNRmin取15 dB。取信號帶寬為1.16 MHz,Pmin為-70 dBm，NF=28.4 dB。由于附加的噪聲源和接收器增益減少，接收機(jī)的噪聲系數(shù)將比理想的情況高，因此選定一個(gè)小于25 dB的NF和預(yù)留一些裕量[8]是有必要的。

接收器設(shè)計(jì)中第二重要的參數(shù)是線性要求，這是由一個(gè)三階互調(diào)點(diǎn)(IP3)[9]測量得到的互調(diào)特性定義。針對BLE的IP3測試中，相鄰?fù)ǖ篱g存在2個(gè)-50 dBm的干擾，這表明IP3的最小值至少為-34 dBm。此外，由于在相鄰的信道的阻斷器容易降低接收器的性能，因而阻斷器應(yīng)該在接收器端實(shí)現(xiàn)。在BLE規(guī)范中的阻斷器如圖4所示，在解調(diào)器端它是由模擬中頻濾波器和數(shù)字濾波器[10]組成的。

圖4 BLE規(guī)范中的阻斷器特性曲線

抑制阻斷器是為了不讓ADC處于飽和狀態(tài)并考慮到模擬濾波的局限性，因此做出折中。選用模擬中頻濾波器為了使在不同信道的阻斷器不超過相鄰信道的門限，增加后級ADC的動態(tài)范圍。中頻濾波器的特性如圖5所示。信道的接收鏈如圖6所示。

在前面的計(jì)算中已得到接收器的NF和IP3，由此可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的性能配置。然而，為了計(jì)算片上的NF，由于接收器中每個(gè)模塊的輸入電阻未定義。因此，還要考慮每個(gè)模塊間匹配電阻值。

圖5 中頻濾波特性曲線

圖6 一個(gè)信道的接收鏈

(a) 片上等效噪聲源

(b) 片上等效到輸入端的等效噪聲源

圖7 兩個(gè)增益為Av1的噪聲模塊

圖7表示兩個(gè)增益為AV1的噪聲模塊，它們在片上的第一級到第二級間[11]。對于芯片上的電路模塊，無法確定絕對阻抗。如果假設(shè)每個(gè)模塊的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為0，這樣通過輸入端短接就可以消除參考輸入電流噪聲源，只留下了每個(gè)模塊的參考輸入電壓噪聲源。參考電壓噪聲源被等效到輸入端，可由下式得到：

(3)

(4)

輸入端的匹配阻抗Rs=Ri，因而：

(5)

接收器輸入端的噪聲系數(shù)為：

(10)

式中:Pin為輸入端參考噪聲源；Pint為接收器內(nèi)部噪聲。

(11)

同樣地，可以通過每個(gè)模塊的端電壓計(jì)算得到接收器模塊的IP3。

(12)

芯片上的NF和IP3可由式(12)計(jì)算，考慮到功耗才是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)需要優(yōu)化的重要參數(shù)，因此有些模塊的設(shè)計(jì)是為了迎合規(guī)格而設(shè)計(jì)的，所以在使用額外模塊時(shí)，如高階濾波器、限幅器和可變增益放大器等在設(shè)計(jì)時(shí)屬于非優(yōu)先考慮因素。另外，增益和噪聲指數(shù)的優(yōu)化配置可使接收器的原型變得最為精簡，這也是BLE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。最終的層級方案[12]見圖8。

圖8 低中頻接收器的層級結(jié)構(gòu)

2.3 ADC配置

本文將對接收器的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)中的ADC的參數(shù)選擇和依據(jù)進(jìn)行討論。對于帶寬不大的中低頻接收器，過采樣轉(zhuǎn)換器有很多優(yōu)勢。ΔΣ轉(zhuǎn)換器從過采樣和噪聲整形[13]中受益，并可對于指定的帶寬獲取更高的信噪比。此外，對于BLE接收器，ADC的功耗要盡可能低以延長續(xù)航時(shí)間。這就是對于設(shè)想的接收器，選用一個(gè)連續(xù)時(shí)間ΔΣADC的原因：運(yùn)放用于連續(xù)時(shí)間架構(gòu)中比數(shù)字ΔΣADC中條件更為寬松，將有效降低功耗。更重要的是，要獲得高線性度，可使用具有固有線性的單比特ΔΣADC。因而，高線性度、低功耗的ΔΣADC更適合藍(lán)牙帶寬的需要。選定體系架構(gòu)后，應(yīng)調(diào)整噪聲和ADC的動態(tài)范圍以滿足系統(tǒng)的要求。

ADC的本底噪聲為：

(13)

(14)

最小可檢測信號Pmin和接收器鏈上的模塊的增益一起被放大，決定了動態(tài)范圍的下限和解調(diào)所需的指定信噪比。對于ADC，Pnf,ADC，本底噪聲為-43 dBm。現(xiàn)在有必要確定ADC動態(tài)范圍的上限。然而，如前所述，因?yàn)轱柡筒ㄐ魏臀粗?jié)點(diǎn)的阻抗，很難使用功率計(jì)算。因此，動態(tài)范圍可以由ADC輸入端的最大最小電壓差決定。最小電壓為：

(15)

-70 dBm的Pmin使Vmin為70 μVrms。接收器輸入端的最小電壓與整體電壓增益決定了ADC輸入端的最小可用電壓。

(16)

AV,total由式(8)得到，使Vmin,ADC=11 mVrms。另一方面，ADC的最大輸入電壓不是通過計(jì)算得到的，而是從現(xiàn)有的電源電壓，因?yàn)樵谧畲蠊β实那闆r下接收機(jī)前端稍微飽和，提供軌到軌輸入到ADC。這個(gè)值取決于中頻濾波器的輸出幅度和電源電壓[14]。本設(shè)計(jì)中，假設(shè)電源電壓為1.2 V。

(17)

Vmax,ADC=424 mVrms，總電壓范圍：

(18)

VR=33dB

(19)

整體動態(tài)范圍(DR)的計(jì)算公式為：

(20)

DRmin=48dB

(21)

考慮在非理想的設(shè)計(jì)和制作后，應(yīng)考慮5 dB SNR設(shè)計(jì)余量[15]。因此，ADC的SNR應(yīng)在53 dB左右。

3 結(jié) 語

本文介紹了遵循藍(lán)牙低功耗標(biāo)準(zhǔn)的低中頻接收器的完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可用于確定特定模塊低功耗的復(fù)雜低中頻接收器設(shè)計(jì)提供參考，并能對層級設(shè)計(jì)進(jìn)行定量計(jì)算，獲取ADC模塊的最小信噪比和動態(tài)范圍。

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·名人名言·

我們應(yīng)該不虛度一生，應(yīng)該能夠說，“我已經(jīng)做了我能做的事。”

——居里夫人

The Low IF Receiver System Design Based on Bluetooth Low Energy Technology

DUHui-xiao，GAOTong-hui

(Department of Automation and Information Engineering，Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001, China)

Portable wireless electronic devices have become an indispensable part of life. In order to make mobile devices more efficient and long-battery life, the article introduces the whole system design method which follows the standard Bluetooth low energy technology for low-IF receiver. It also discusses the design of each module, so that it could achieve the most advanced low-power standard. Finally, the paper determines the required parameters of ADC by the selected system configuration. A minimum ratio and better dynamic range requirements can be fitted to the system. The design can be a reference for complex low-power low-IF receiver.

Bluetooth； low-power； low IF receiver； GFSK

2015-02-27

堵會曉(1974-)，女，河南平頂山人，碩士，講師，主要研究方向：電子信息技術(shù)。

Tel.：15037579633; E-mail：duhxiao123@163.com

TN 925

A

1006-7167(2015)10-0065-04