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及其应用黄一鸣贾波徐群山博通集成电路（上海）有限公司概述随着信息技术的飞速发展和人们对高速率无线通讯的需求，无线应用产品的工作频率已经从低频段跨入高频段。作为全球均无需授权即可使用的2.4GHzISM频段成为众多无线高端产品首选频段，譬如蓝牙，WLAN，ZigBee等。博通集成电路公司的2.4GHz无线收发器BK2421采用高达2Mbps的通讯速率和独特的通讯协议，不但保持了2.4GHz频段其他通讯协议优良的射频性能，而且简化了产品设计，节省了产品开发成本，降低了产品功耗，是国内唯一一颗达到世界先进水平的2.4GHz无线收发器。本文详细介绍了这一收发器产品性能和特点并在最后给出了基于BK2421所完成的PC周边设备方案（包括无线鼠标键盘、无线遥控等），汽车无线防盗和马达自动起动方案和移动支付RFID子系统方案。BK2421性能和特点BK2421基本性能和特点BK2421是一颗工作在全球开放2.4GHzISM频段的单芯片无线收发器，集成了无线射频收发前端、频率综合器、数字调制解调器、1对6星形通信协议以及电源管理。相比其他2.4GHz短距离无线通信技术（如蓝牙，WiFi等），它以非常低的功耗实现高速率无线传输（最高可以达到2Mbps），接收器正常工作电流为17mA，发射器输出功率0dBm的电流为14mA，关机状态电流为3uA。BK2421集成两种调制方式，分别为CPGFSK调制（ContinuousPhaseGaussianFrequencyShiftKey，相位连续高斯频移键控）和CPFSK调制（ContinuousPhaseFrequencyShiftKey，相位连续频移键控）。其频谱如图1所示，其中BT为3dB带宽和传输速率的乘积（3-dBbandwidth-symboltime）。(MHz)Power/frequency(dB/Hz)PSDComparisonofGFSKandFSKGFSKBT=0.5FSK图1：CPFSK和CPGFSK调制频谱CPFSK调制方式可以显著提高芯片灵敏度。另外BK2421还支持调制频偏可调节，从而便于用户根据具体情况调节这些参数来提高通信距离。下面通过模型仿真和测试结果验证这种功能。模型和测试条件：BT＝0.5，fb=1Mbps，两种调制频偏分别为160KHz和300KHz，接收器中频带宽1.1MHz。仿真了两种不同调制频偏下各自的BER（BitErrorRate，误码率）与SNR（SignalNoiseRate，接收器输入信噪比）关系，如图2所示：:0.002953BERVs.SNRfordifferentdeviationSNR(dB)BERX:15Y:0.002095Deviation=160KHzDeviation=300KHz图2：两种调制频偏下的BER和SNR关系从上图我们可以得出，输出几乎相同BER（0.0025），频偏300KHz所需要的SNR比频偏160KHz小5dB，也就是说接收器接收频偏300KHz的调制信号时的灵敏度比接收频偏160KHz的调制信号好5dB。测试了BK2421在两种不同调制频偏下的灵敏度（对应BER＝1e-3），如表格1所示。表格1BK2421在两种不同调制频偏下的灵敏度BT频偏(KHz)fb（Mbps)灵敏度(dBm)13001-88.711601-82.8从上表我们可以看出，测试结果跟仿真结果基本一致。由于FCC15.247、249和ETSI300328规范了2.4GHz的频谱要求，我们不能无限增加调制频偏。BK2421根据一般应用情况优化调制方式和频偏，达到最佳灵敏度，同时满足上述两个规范要求。BK2421抗干扰性能频段上存在众多的无线应用产品，如何确保信息发送接收在干扰状态下保持连续性就很重要。我们以常用无线鼠标为例，假定每个包长度为150bits，鼠标按键响应时间为10ms，通讯速率为1Mbps。每个包传输时间为150us。为了详细分析BK2421如何在干扰下仍然保持通讯连续性，我们按照干扰特点将干扰源分为如下四种：采用直序列扩频技术的产品（如WLAN）采用跳频技术的产品（如Bluetooth）采用低速率的产品采用BK24211对6星形通信协议的产品（如采用BK2421组网系统）抗WLAN干扰由于WLAN采用直序列扩频技术，根据FCC规范其在偏离载波22MHz以外的发射功率小于－30dBm，考虑到BK2421一般发射功率为0dBm，偏离载波22MHz以外的WLAN不影响BK2421的通讯，这样我们至少有125－2*22＝81MHz不受WLAN干扰影响。BK2421内部集成干扰检测功能可以在81个信道选择一个信道正常通讯。抗Bluetooth干扰Bluetooth工作频率范围为2.4～2.4835MHz，采用跳频技术，每次在一个信道占用时间为625us。BK2421内部集成自动重发丢失的数据包的功能，用户可以设置重发等待时间，为了避开Bluetooth干扰，我们可以设置重发时间大于625us，如图3所示，可以避开Bluetooth的干扰，保证数据传输连续性。012Time(ms)BK2421TransmittingBluetoothInterference(625us)BK2421Retransmitting(150us)10BK2421transmitting(150us)…图3：BK2421抗Bluetooth干扰数据传输图抗低速率无线产品干扰由于低速率无线产品占用信道时间很长，BK2421内部集成干扰检测功能从而可以切换到没有干扰的信道上继续通讯。另外BK2421每个包传输时间为125us，远低于10ms鼠标切换时间，受到低速率干扰的概率变得非常小。抗BK2421组网系统中的干扰BK2421支持1对6星形通信协议，可以同时接收六路无线设备数据，这样的一个典型应用是个人PC配有无线键盘、无线鼠标、无线遥控器、无线耳机、无线游戏手柄和无线音箱。PC和无线鼠标的通讯会受到其他5个设备的干扰，考虑一次重发，受到干扰的概率为5*2*150us/10ms=15%。如果通讯速率提高到2Mbps，受到干扰的概率降低一半（7.5%），显然受干扰概率远低于传统低速率的无线方案（如采用9.6Kbps）。另外BK2421内部集成异步搜索频率，即当检测到干扰后，组网内不同设备重新选择频率的步长不一样，保证各个设备之间都能够找到没有干扰的频率进行通讯。抗干扰性能总结从上面分析我们可以得出，BK2421的高速率通讯大大降低受到干扰的概率，同时内部集成干扰检测功能和异步搜索频率等算法进一步降低干扰的概率。一般情况下，采用BK2421的无线产品能够不受干扰的影响，完全保持通讯连续性。BK2421与采用另外三种2.4GHz通讯协议的产品性能比较BK2421内部集成1对6星形通信协议，简化了协议和软件设计，它与采用另外三种通讯协议的产品基本性能对比如下表所示：表格2BK2421与采用另外三种通讯协议的产品基本性能比较BK2421BluetoothWLAN(2.4GHz)ZigBeeUnitsFrequency2.42.42.42.4GHzModulationFSK/GFSKGFSK/DQPSKFSK/DQPSKQPSKNADataRate1/211/2/110.25MbpsChannelNumber1257911/1316NASupportedNetworkTypesStarPear-to-PearPear-to-PearStarPear-to-PearStarPear-to-PearNACommunicationRange10~10010~10010~10010~50mMCUresources025025028Kb从上表我们可以看出，BK2421无线通讯性能如通讯速率，通讯距离等跟采用另外三种通讯协议的产品性能不相上下，甚至某些性能更优。由于BK2421采用自己独特的通讯协议，无须为了满足特定的协议而增加额外的设计，所以它根据实际需求而优化了整个芯片设计，降低了产品复杂度，另外高达2Mbps的通讯速率大大减小了每个数据包的发射时间，从而降低了功耗，同时BK2421采用低中频接收架构和锁相环发射架构，进一步降低产品功耗。相比采用另外三种协议的产品，基于BK2421所完成的短距离无线产品实现简单，成本低廉，功耗极低。图4给出了BK2421与采用另外三种协议的产品功耗和复杂度比较，显然BK2421在功耗和复杂度都具有明显的优势，更加符合短距离无线产品市场对功耗和实现复杂度越来越低的要求。Cost/ComplexityPowerComsumpationBK2421Bluetooth1.11.2ZigBeeWLAN2.4G图4：BK2421与采用另外三种协议的产品功耗和复杂度比较图BK2421在无线短距离产品中的应用PC周边设备方案PC周边设备的丰富，满足了人们的休闲需求，连接线的繁杂和PC的插口过多被占用却成了美中不足，使用BK2421就可以解决这些问题。个接收地址，使其具有6发1收的能力，图5中，在PC上连接BK2421接收设备可以收到带有BK2421发射器的外设键盘、鼠标、写字板、遥控器等的数据。USEBK2421ANT图5：PC周边设备从有线到无线PC周边设备的无线化实现框图如图6(TX端)、图7（RX端）所示。KeymatrixBK24211M/2MbpsSensorBurstacknowledgedataMICADCSound图6：PC周边设备TX端（鼠标、键盘、遥控器手写板、MIC、音源……）PC周边设备TX端包括鼠标、键盘、手写板、遥控器，其主要数据为光电感应、按键矩阵、触摸板矩阵，MCU将收到的数据填入BK2421FIFO，BK2421将数据通过FSK调制到2.4G，以Burst的形式发出。接收机收到数据后，会对发射机进行反馈（Acknowledge），当发射机没有收到Acknowledge时，对前面所发的数据进行重发。：PC周边设备RX端（USBDongle、Speaker）PC周边设备RX端为USBDongle，BK2421将收到的不同地址TX端的数据解调，发送给MCU，并同时发送Acknowledge给TX端，MCU在通过USB来控制PC做出响应。图6、图7中蓝色通路为音频通路，TX端需要将音源（PC、音响、CD机、MP3、收音机……）通过ADC转化为数字信号传输给BK2421，而RX端BK2421接收到的数据通过DAC将模拟信号发送给Speaker、earphone来发声。BK2421在PC周边设备的应用中，电流消耗相比传统协议要低数百倍，因此电车无线防盗和自动马达启动方案池寿命可以提高15到200倍。汽MasterContolUnit（MCU）BK2421SPIBK2421MCUSPIPowerManagement汽车钥匙马达自动启动模块BK2421SPI车门自动开关模块车门把手触发模块马达启动触发模块通信控制模块图8：汽车无线防盗和自动马达启动框图