超低功耗Sub-GHz收发器问世　无线传感器导入能源采集有谱

    无线感测网路(WSN)应用多半以微功率(Micro-power)电池为系统供电，因此对元件功耗要求相当严苛。超低功耗Sub-GHz收发器由于能在低至1.1伏特的电压下运作，耗电量极低，故可实现以能源采集方案进行供电的无线感测器，从而降低WSN建置成本。

近几年来，无线感测网路(Wireless Sensor Network, WSN)和超低功率(Ultra-low Power, ULP)无线电市场的大幅成长，是大家有目共睹的。WSN应用包括短距离机器对机器(M2M)、人体周围的医疗感测器和许多针对新兴感测和自动化市场的其他应用。这类无线电应用从大量建基于工作周期点量测传输(Duty-cycled Spot Measurement Transmission)扩展到资料较为密集的连续连结(Continuous Link)，同时采用更小电池和可替代能源方案，如能源采集设备。
人体周围的无线感测器可以分为两类网路，分别为无线个人区域网路(WPAN)和无线近身通讯(WBAN)。WPAN的网路空间围绕在个体的四周，覆盖附近的生活或工作空间，通常可达10公尺的范围，这包括蓝牙(Bluetooth)和ZigBee等协定。WBAN是围绕在一个人四周的更小无线空间，通常为1公尺范围，常用在与人体相关感测器之间的通讯。虽然WPAN和WBAN的网路空间是有差异的，但两者间的许多应用却互有重叠。无线电技术和低功率感测器的发展为WSN开启了新的发展领域。对于超低功率WSN而言，另一个重要的组成部分就是有效的能量储存和管理。诸如薄膜电池的微功率(Micro-power)电池，近年来在技术上也随着微功率管理解决方案的发展，而有了长足的进步。ULP技术的进展已经取代了对于AA或AAA电池的需求，达到更小的电池容量和尺寸。因此，让电池寿命长且体积小、灵活的智慧型无线感测器也得以实现。  

新一类无线感测器系由采集来的能源来供电，因而毋须更换电池。它们会被运用在感测和监测难以触及的环境和应用，这些环境和应用地点可以采集能量。利用采集到的能源运作的无线感测器，具有一系列比常规无线感测器更严格的要求，除了一般的低功耗外，还要有低峰值功率、超低待机电流等其他需求。这是相当新的WSN领域，具有广泛的应用，包括医疗、M2M、军事和其他研究领域。  

在这一类低功率无线感测器的效率方面，短距离无线电收发器的技术和设计考虑因素在其中扮演着重要的角色，适合上述应用的收发器需求如图1所示。  


图1    超低功率无线电收发器的要素
收发器电源需求极为关键

在无线感测器的设计和应用中，收发器的电源需求是一项关键因素。因为大多数ULP感测器在微小型电池和能量采集电源下运行，非常需要低于2伏特(V)的工作电压。  

大多数感测器使用的是单一电池，视电池化学特性而定。在低至1.1V电压下工作的无线电收发器，可为感测器设计提供额外的灵活性，并减少功率管理限制。在比较不同的解决方案时，供电电压、功率放大器耗能和连结资料的速率常常会被忽略。然而，这三项因素全部都具有实质性的影响。在2.5V电压下工作的无线电装置的功耗，是相同电流消耗但在1.25V电压下工作的无线电装置的两倍。仅当需要输出功率超出5dBm时才会要求在较高的电压下工作，但这并不是短距离应用的情况，因为输出功率很少超过0dBm。在系统层级上，低供电电压是降低功耗的一种简单的方法，但是需要一个设计用于低电压运行的无线电射频(RF)积体电路。  

峰值电流是收发器的另一个关键参数。几乎所有基于无线的感测器网路皆以工作周期来达到省电的目的，并限制无线电空间的使用，这会在感测器的电流消耗曲线上产生峰值。具有高峰值电流的无线电将会对电源管理带来限制，并使得满足电源抑制的要求更加困难。  

对于运行在能源采集下的无线感测器来说，上述限制甚至更加重要。通常能量采集转换器比电池具有更高的输出阻抗。在转换器和感测器之间的微功率管理层改变了供电特性，包括源阻抗；因此，在无线电收发器中的低峰值电流消耗减少了对无线感测器的电源限制。  

对于无线电发射器来说，功率放大器(PA)的功耗是非常大的。对于一个25公尺的自由空间范围而言，许多802.15.4或蓝牙无线电消耗25～40毫瓦(mW)，其中95%以上都浪费掉了。图2显示出每位元能耗与某些针对25公尺自由空间范围的可用解决方案的比较。以电池或能量采集供电的系统来说，最佳的组合情况应与左下角的接近。  


图2    每位元能耗与峰值功率的比较
从发射器PA的角度来看，其主要参数来自于接收器。在给定的范围内，其灵敏度决定了必须发射多大的功率。大多数无线电的灵敏度范围在85～95dBm之间，带来了十倍的PA功耗。接收器灵敏度、载波频率和输出阻抗是影响功耗的三项主要因素。它们是相加的，对于相同的范围，叠加在一起可出现超过两个数量级的PA功耗变化。  

图3比较了常用无线电收发器的供电电压、发射(Tx)和接收(Rx)端功耗。其他IC级规范，如泄漏电流和唤醒时间，也会影响功耗；然而，对于极低的有效负载资料速率，它们是非常具有关键性的，其重要性可减少超过10bit/s的速率。  


图3    部分无线电收发器解决方案的工作电压、Tx和Rx功率
影响PA功耗的另一项重要参数就是输出阻抗。大多数无线电的输出阻抗低于100Ω。只有高输出功率(长距离)需要低阻抗，但与较高的输出阻抗选项相比，它会带来高达五倍的电流消耗，而高输出阻抗选项比较适合短距离的无线互联应用。总之，假设接收器灵敏度和PA效率相似，高阻抗900MHz无线电在它的PA中仅使用1mW，即可达到与使用25～40mW的50Ω/2.4GHz无线电相同的距离。

载波频率的选择是收发器的一个重要参数。在工业、科学和医疗(ISM)无线电频带中的两个可用选项为2.4GHz或Sub-GHz频率。对于此一选择，要考虑的一些因素有范围、功耗、资料速率、天线尺寸、互用性(标准)、全球部署的情况等。  

Sub-GHz载波频率声势起

无线区域网路(Wi-Fi)、蓝牙和ZigBee技术正大力推广已在市场上广泛使用的2.4GHz协定。然而，对于低功率和较低资料速率应用，比如无线感测器、无线医疗监测、家庭保全/自动化和智慧型仪表，Sub-GHz无线系统提供了几项优势，包括在给定功率下拥有更长的距离、更低的功耗和较低的配置和运行成本。  

Sub-GHz载波频率具有高于2.4GHz频率的某些优势。首先就是距离和讯号品质。当无线电波通过墙壁和其他障碍物时，讯号会减弱。在更高频率时，衰减率会增加，因此2.4GHz讯号的减弱速度比Sub-GHz讯号更快。2.4GHz无线电波还比Sub-GHz电波更快消失，因为致密的表面会反射它们。在高度拥挤的环境中，2.4GHz传播会快速减弱，从而对讯号品质带来负面的影响。  

另一方面，根据频率特性，生物组织会吸收RF的能量。低频可以轻易穿透身体而不会被吸收，这意味着相较于2.4GHz，Sub-GHz连结具有更好的RF连结或较少的功率消耗。  

即使无线电波以直线传输，但当它们碰到固体边缘(例如建筑物的一角)时也会转向。因为频率降低，绕射角会增加，让Sub-GHz讯号在障碍物周围进一步转向，减少了阻塞效应。  

Friis方程式证明了Sub-GHz无线电优异的传播特性，显示出2.4GHz的路径损耗比在900MHz的时候高出8.5分贝(dB)。对于900MHz无线电来说，这可转化为延长2.67倍的距离，因为功率每增加6dB，传输范围约增加一倍。如果要匹配900MHz无线电的范围，2.4GHz解决方案将需要大于8.5dB的额外功率。  

对于相同的连结配置，除了需要较高功率外，2.4GHz频带出现干扰的机会更大。空中挤满了相互冲撞的2.4GHz讯号，它们来自于不同的来源，例如家庭和办公室Wi-Fi集线器、启用蓝牙的电脑和手机周边设备以及微波炉，2.4GHz讯号的壅塞会产生许多干扰。Sub-GHz ISM频带大多会应用在专用的低工作周期连结，不太可能会相互干扰。更安静的频谱意味着传输会更容易，重试的次数会更少，效率会更高，并节省电池功率。  

功率效率和系统范围是接收器灵敏度加上传输频率的函数。灵敏度与通道频宽成反比，因而较窄的频宽可以产生更高的接收器灵敏度，并让在较低的传输速率时，可以更有效地运行。  

例如，在300MHz上，假如发射器和接收器的晶体误差(XTAL偏差)均为百万分之十(10ppm)，每个的误差都为3kHz。对于有效传送和接收的应用而言，最小通道频宽为误差率的两倍，或6kHz，这是窄频应用的理想选择。在2.4GHz上，相同情况需要48kHz的最小通道频宽，浪费了用于窄频应用的频宽，并需要大幅增加工作功率。  

总之，运行在较高频率下的所有无线电电路，包括低杂讯放大器、功率放大器、混合器和合成器，需要更多的电流来达到与低频装置相同的性能。  

范围、低干扰和低功耗是Sub-GHz应用能够超越2.4GHz应用的基本优势，但它经常被提到的缺点之一就是天线尺寸比在2.4GHz网路中使用的要大。对于433MHz应用，最佳的天线尺可能会高达7寸；然而，天线尺寸和频率是成反比的。假如节点尺寸是一个重要设计考量，开发人员可以提高频率(高达950MHz)，以便采用更小的天线。  

无线感测器的总体功耗不仅是实体层项目的函数，比如无线电架构、载波频率和天线选择，而且也是无线电需要运行的时间量的函数，以便在空气中传送有效负载的资料。这取决于建立和保持通讯连结的资料速率要求和协定开销(Protocol Overhead)。  

资料速率是规定工作周期无线连结功耗的重要因素之一。平均功率几乎与连结资料速率成反比。在相同的有效负载下，100kbit/s无线电几乎消耗50kbit/s无线电的一半功率。对于给定的有效负载，较高的资料速率可视为改进能源效率的方法。在比较RF收发器时，每位元能耗是一个比电流消耗更好的指标，但高资料速率无线电通常带有较高的峰值电流。对于大多数小型电池或能量采集器来说，这些是非常不受欢迎的，因为它们产生了大的泄漏储存电容，一般为数百微法(μF)。  

在网路层上，协定对平均功率预算有着重大影响。今天的标准，比如802.15.4或蓝牙，提供了高度复杂的连结和网路层，但这些堆叠总共产生了50～75%的无线电功耗和较大的开销。对于超低功率系统，一体通用(One Size Fits All)的标准化选项通常不是最佳解决方案。相反的，超低功率应用应该考虑使用已针对它们需求而优化的协定。  

网路的延时需求也具有重大的影响。用于监听或探测的时间节点数量是延迟的函数。低延迟意味着可连续或频繁地进行探测。在高负荷系统中，探测、接收器功率是功率预算中最大的部分；例如，在802.15.4网状网路中，大约9%的系统功率是用于接收。在更高的有效负载系统中，探测消耗的能耗可能不是主要的，但接收功率仍将超过RF预算的50%。对于实现超低功率RF遥测而言，最低的接收器功耗常常是必要的。  

[@B]超低功率Sub-GHz方案竞出笼[@C] 超低功率Sub-GHz方案竞出笼

目前已有不少厂商推出超低功率无线电和电源管理的解决方案。如ZL70251，即是美高森美(Microsemi)的完全整合超低功率Sub-GHz ISM频带收发器，专门在功率至关重要的应用中使用。尽管它的功率非常低，但ZL70251仍然具有足够的资料速率来支援语音或声音通讯(图4)。因为资料速率超过186kbit/s，所以它具有足够的频宽来传送连续性的生物讯号，比如心电图(ECG)、电话品质语音连结或更高品质的声音和某些ULP讯号处理。另外，它的总体功耗大约为4～5mW，所以可让使用薄膜电池的无线听诊器贴片，连续监测慢性呼吸道疾病或支持睡眠呼吸暂停的研究。  


图4    使用ZL70251收发器的无线感测器之平均功率和有效负载资料速率比较
在功率非常重要，且有效负载要大于10bit/s的应用中，超低功率RF技术是非常具有关键性的。先前的可穿戴式无线感测器仅能用于缓慢变化的参数，而新的RF技术可以帮助观察变化更快的生理参数，比如心脏和脑电活动(Brain Electrical Activity)或血氧的水准，它们要求大约0.5～5kbit/s等级的速率来提取有意义的波形。  

基于ZL70251的无线身体感测器消耗的电流平均小于100微安培(μA)，使得薄膜电池乃至热电能量采集器成为可行的电源选项。图5是当作感测器使用的ZL70251的典型应用。  


图5    基于ZL70251的典型无线感测器方块图
微控制器(MCU)通常与ZL70251和特定应用感测器或输出设备相连接；如对于Lead-1 ECG而言，ULP类比前端(Front-end)，输出连接至运行应用和通讯协定的微控制器的类比数位转换器(ADC)，其结果是形成了具有极低功率的无线ECG解决方案。某些其他类似超低功率的参考设计也竞相问世，包括三轴加速度计和脉搏血氧计。  

ZL70251具有极低的峰值电流，因而成为能源采集应用的理想选择，并且涵盖了ISM频带，包括在779MHz的中国ISM频带。在业界，已经有厂商成功开发出可测量身体温度的无线可穿戴式感测器原型，它采用的是热电转换器(Thermo-electric Generator, TEG)。图6显示了此类感测器的结构，它永远不需要更换电池。  


图6    由能量采集器供电的无线感测器方块图
综上所述，Sub-GHz ISM频带超低功率频带收发器，在市场的定位是要能满足严苛需求的应用，比如由能量采集器供电的无线感测器、为可穿戴式无线医疗设备提供生物讯号(Bio-signal)的连续监测，以及短距离机器对机器(M2M)应用中的感测应用。