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。（参见图1）。
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；
   MCU与RF IC是通过SPI进行通信的，SPI的格式如下所示

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。
跳速的高低直接反映跳频系统的性能，跳速越高抗干扰的性能越好，军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现，因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。　
2）：RF IC在通信中实现抗干扰的两种种方法
通常情况下,严格意义上的跳频只用在军用与高端的GSM等无线通信系统中，对于成本低的RF通信系统，因为其本身的传输距离近(10M内),相互之间的干扰就小,所以可以采取让Tx多次发射直到Rx收到并返回接收标志位为止。另外一种采用的是有限跳频的工作方式，即在传送完成数据后，判断Rx是否接收到，如果没有接收到，则改变传送的频率（例如增加20MHz），再向Rx发一个同步信号，然后继续传送。这种方式实现简单，但是抗干扰性比严格意义上的跳频方式差.
3．MCU通过RF IC进行通信的方式
将两个RF芯片对码后，就可以用来传送数据了。Rx先将收到的信号解调出来，再与自身存的RF ID码进行确认，判断一致后，才开始存储接收到的数据，并根据相应的FEC或CRC位对数据进行校验。接收完成后,MCU读取Rx的FIFO,即可得到传送的数据.
两种传送数据的模式是：Direct mode与FIFO mode。
六:RF IC(A7105)的工作状态及相互转换
  A7105 RF CHIP有6个主要的state,sleep state,STB state,WPLL state,TX state ,CAL state.
1.       SLEEP state:当进入sleep state时，chip内部参考电压源（band gap）及crystal振荡电路会关闭。
2.       STB state：STB state包含IDLE mode，Standby mode和PLL mode。RF IC依据strobe command来进到任一个mode。
1）  IDLE mode时，IC内部参考电压源开启，而crystal及PLL关闭
2）  Standby mode：当Power on或reset时，RF IC会进入standby mode，此时regulator，参考电源与crystal开启
3）  PLL mode：IC内部参考电压源，振荡与PLL都开启。
3.       WPLL(waiting PLL)state：当任何state进入TX/TX state时,会依据目前的state或是控制暂存器PLL I,PLLII,PLL III,PLL IV设定值是否变动,而进入此state或是直接bypass该state,进入Tx/Rx state.
4.       TX/RX state:RF IC会依照门控命令(strobe command)来决定进入TX或是RX state.
当使用RFO mode工作在TX STATE时,RF chip会自动将TX封包(Preamble+ID+TX FIFO payload)传送出去,若传送结束,RF chip会回到原先的state.
当使用FIFO mode工作在RX state时,RF chip会进入RX state等待Tx资料,若Tx端确实有发射资料,则当ID code判断正确后且收到设定的资料长度后,RF chip会自动回到原先的state.
5.       CAL state:在CAL state中,有三个独立的校准项目,在STB state下,当相应的寄存器被使能时,会进入到IF filter校准,VCO band,VCO 电流校准程序.完成校准程序后,相应的标志位清零,且回到STB state.
七:RF IC（A7105）应用需注意的事项
1．  A7105的工作电流与工作电压，以及如何进入省电模式
当IC工作在Rx状态时，最大耗电流：16mA；工作在Tx状态时，最大耗电流：19mA；
RF输出最大功率：0dbm；
在传送/接收完数据后，如果系统想达到省电之目地，可以进入SLEEP 模式，耗电流<1uA.
RF IC在完成工作后,可以直接由MCU发送Strobe命令使其进入SLEEP状态,但是应注意,在进入SLEEP状态之前,先进行TWOR或WOR的设定.
2.       省电模式的工作过程(TWOR与WOR简介)
TWOR(Wake up On Radio using Timer): RF IC内建一个Timer与一个低速的RC OSC,当系统想要省电时,就可以让系统进入SLEEP状态,之后每间隔一定时间,发一个信号唤醒MCU重新回复工作状态,处理RF事件,这就是TWOR功能.
WOR(Wake up On Radio): 也是利用RF IC内建Timer或低速RC OSC,当时间到后,只唤醒RF IC进入工作状态,除非有收到信号才唤醒MCU起来接收数据.
3.       Data传送速率:
最小的传送速率为:10KBps,最大为500KBps,但是在传送数据时,越接近传送速率的上限,则Rx端的接收灵敏度就越低.即在满足最小传送速率的情况下,适当的降低传送速率,可以提高Rx接收灵敏度,扩大接收的距离.
4.       RF IC(A7105)的工作频率与工作频道数
A7105的工作频率为2400~2483MHz,即在初始化Tx/Rx时,必须将工作频率设定在此范围之内.
每个频道占用的带宽为500KHz,即在2400~2483频率范围内,有约160个频道.
5.       在设定Tx与Rx工作频率以及在工作过程中相互转换时，应始终保证Rx与Tx相比，频率相差一个中频（对于A7105，是500KHz），这点与其它的RF系统是一样的。
6.       A7105的应用范围
作为一个低成本的RF发射/接收的方案,A7105应用一相对传输数据量不大,要求成本低,待机电流小的场合.例无线遥控,无线鼠标,无线键盘以及无线摇杆等。