概述

最近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSN）市場和超低功率（ultra-low power，ULP）無線電市場實現(xiàn)巨大增長。此類無線電應用從大量基于占空比的點測傳輸擴展到更多數(shù)據(jù)密集連續(xù)鏈接，同時采用更小電池和可替代能源，比如能量采集（energy harvesting，EH）設備來供電。WSN應用包括短程機器對機器（machine-to-machine，M2M）、人體周圍的醫(yī)療傳感器和大量針對新興市場感測和自動化的其它應用。

人體周圍的無線傳感器可以分為兩類網(wǎng)絡：無線個域網(wǎng)（WPAN）和無線體域網(wǎng)（wireless body area network，WBAN）。WPAN的網(wǎng)絡空間圍繞在個人周圍，覆蓋附近的生活或工作空間，通?？蛇_10米范圍，這包括藍牙和ZigBee等協(xié)議。WBAN的無線空間更小，圍繞著個人，通?？蛇_到1米范圍，用于與人體相關(guān)的傳感器之間的通信。雖然WPAN和WBAN的網(wǎng)絡空間是有差異的，但許多應用也重疊了兩者。

無線電技術(shù)和低功率傳感器的發(fā)展打開了新的WSN競技場。對于超低功率WSN，另一個重要的組成部分就是有效的能量存儲和管理。微功率電池，如薄膜電池，近年來在技術(shù)上隨同微功率管理解決方案已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。ULP技術(shù)進展已經(jīng)取代了對于AA或AAA電池的需求，達到更小的電池容量和尺寸。因此，已經(jīng)實現(xiàn)了具有長電池壽命的小型、靈活的智能無線傳感器。

采用新一類無線傳感器的最新的WSN技術(shù)，它們由采集能源來供電，因而無需更換電池。它們用于感測和監(jiān)測難以觸碰的環(huán)境和應用，這些環(huán)境和應用地點可以采集能量。無線傳感器在采集的能源下工作，具有一系列比常規(guī)無線傳感器更嚴格的要求：除了一般的低功耗外，還有低峰值功率、超低待機電流和其它需求。這是相當新的WSN領域，具有廣泛的應用，包括醫(yī)療、M2M、軍事和其它研究領域。

短距離無線電收發(fā)器的技術(shù)和設計考慮因素在此類低功率無線傳感器的效率方面發(fā)揮著重要的作用，適應上述應用要求的收發(fā)器要求可以按照圖1來分類。

圖1 超低功率無線電收發(fā)器要求美高森美CMPG Reghu Rajan

關(guān)鍵因素

在無線傳感器的設計和應用中，收發(fā)器的電源要求是一個關(guān)鍵因素。因為大多數(shù)ULP傳感器在微小型電池和能量采集源下運行，非常需要低于2V的工作電壓。根據(jù)電池化學特性，大多數(shù)傳感器使用單一電池。在低至1.1V電壓下工作的無線電收發(fā)器，為傳感器設計提供了額外的靈活性并減少了功率管理限制。在比較不同的解決方案時，供電電壓、功率放大器能耗（在可比范圍）和鏈接數(shù)據(jù)速率常常被忽略。然而，所有這三種都具有實質(zhì)影響。

在2.5V電壓下工作的無線電裝置的功耗是相同電流消耗但工作在1.25V電壓下的無線電裝置的兩倍。僅當需要輸出功率超出5dBm時才要求在較高的電壓下工作。對于短程應用，情況不是這樣的，因為輸出功率很少超過0dBm。在系統(tǒng)級上，低供電電壓是降低功耗的一個簡單方法，但是需要一個設計用于低電壓運行的無線電頻率（RF）集成電路。

峰值電流是收發(fā)器的另一個關(guān)鍵參數(shù)。幾乎所有基于無線電的傳感器網(wǎng)絡依靠占空比來省電并限制無線電信道空間的使用。這產(chǎn)生了傳感器的電流消耗曲線峰值。具有高峰值電流的無線電帶來了對電源管理的限制并使得滿足電源抑制要求更困難。

對于運行在采集能源下的無線電傳感器來說，該限制是更重要的。通常能量采集轉(zhuǎn)換器比電池具有更高的輸出阻抗。在轉(zhuǎn)換器和傳感器之間的微功率管理層改變了供電特性，包括源阻抗。因此，在無線電收發(fā)器中的低峰值電流消耗減少了對無線傳感器的電源限制。

對于無線電發(fā)射器，PA的功耗會是非常大的。對于一個25米的自由空間范圍，許多802.15.4或藍牙無線電消耗了25mW~40mW，其中超過95%被浪費了。圖2顯示比特能耗與某些針對25米自由空間范圍的可用解決方案的比較。對于電池或能量采集供電系統(tǒng)，最優(yōu)組合接近于左下角。

從發(fā)射器PA的角度來說，主要參數(shù)來自于接收器。對于給定的范圍，其靈敏度規(guī)定了必須發(fā)射多大的功率。大多數(shù)無線電的靈敏度范圍在在–85dBm到–95dBm之間，導致了10倍的PA功耗。影響功耗的三種主要因素是接收器靈敏度、載波頻率和輸出阻抗。它們是相加的，對于相同的范圍，疊加在一起可出現(xiàn)超過兩個數(shù)量級的PA功耗變化。

圖3比較了常用無線電收發(fā)器的供電電壓、發(fā)射（TX）和接收（RX）功耗。其它IC級規(guī)范，如泄漏電流和喚醒時間，也會影響功耗。然而，對于極低的有效載荷數(shù)據(jù)速率，它們是關(guān)鍵的，它們的重要性可減少超過10bit/s的速率。

影響PA功耗的另一個重要參數(shù)就是輸出阻抗。大多數(shù)無線電的輸出阻抗低于100Ω。低阻抗僅僅是高輸出功率（長距離）所需要的，但相比較高的輸出阻抗選項，它會導致高達五倍的電流消耗，而高輸出阻抗更適合于短距離無線互連應用?？傊?，假設收發(fā)器靈敏度和PA效率相似，高阻抗900MHz無線電在它的PA中僅使用1mW，即可達到與使用25mW至40mW的50Ω 2.4GHz無線電相同的距離。

載波頻率的選擇是收發(fā)器的一個重要參數(shù)。在工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）無線電頻帶中兩個可用選項為2.4GHz或sub-GHz頻率。對于此選擇，要考慮的某些因素為：范圍、功耗、數(shù)據(jù)速率、天線尺寸、互用性（標準）和全球部署。

Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee技術(shù)已大量推廣今天市場上廣泛使用的2.4GHz協(xié)議。然而，對于低功率和較低數(shù)據(jù)速率應用，比如無線傳感器、無線醫(yī)療監(jiān)測、住宅安保/自動化和智能測量，sub-GHz無線系統(tǒng)提供了幾個優(yōu)勢，包括了在給定功率下的更長距離、更低的功耗和較低的配置和運行成本。Sub-GHz載波頻率具有超過2.4GHz頻率的某些優(yōu)勢：

?距離和信號質(zhì)量。當無線電波通過墻體和其它障礙物時，信號會減弱。在更高頻率上衰減率會增加，因此2.4GHz信號的減弱速度比sub-GHz信號更快。2.4GHz無線電波還比sub-GHz電波消失地更快，因為致密表面會反射它們。在高度擁擠的環(huán)境中，2.4GHz傳播會快速減弱，從而負面影響信號質(zhì)量。

?根據(jù)頻率特性，生物組織會吸收RF的能量。低頻可以輕易穿透身體而不會被吸收，這意味著相比2.4GHz，sub-GHz鏈接具有更好的RF鏈接或消耗較少的功率。

?即使無線電波以直線傳輸，當它們碰到固體邊緣（比如建筑物角落）時，它們也會轉(zhuǎn)向。因為頻率減少，衍射角度會增加，允許sub-GHz信號在障礙物周圍進一步轉(zhuǎn)向，減少了阻塞效應。

Friis方程式證明了sub-GHz無線電的優(yōu)秀傳播特性，顯示出2.4GHz的路徑損耗比在900MHz的時候高8.5dB。對于900MHz無線電來說，這可轉(zhuǎn)化為延長2.67倍的距離，因為功率每增加6dB，傳輸范圍約增加一倍。如果要匹配900MHz無線電的范圍，2.4GHz解決方案將需要大于8.5dB的額外功率。

對于相同的鏈接配置，除了需要較高功率外，2.4GHz頻帶出現(xiàn)干擾的機會更大?？罩袛D滿了沖撞的2.4GHz信號，它們來自不同源，比如家庭和辦公室Wi-Fi集線器、啟用藍牙的計算機和手機外設以及微波爐。2.4GHz信號的擁堵產(chǎn)生了許多干擾。Sub-GHz ISM頻帶大多數(shù)用于專用的低占空比鏈接，不太可能相互干擾。更安靜的頻譜意味著更容易的傳輸，較少的重試，更高的效率并節(jié)省電池功率。

功率效率和系統(tǒng)范圍是接收器靈敏度加上傳輸頻率的函數(shù)。靈敏度與通道帶寬成反比，因而較窄的帶寬可以產(chǎn)生更高的接收器靈敏度并允許在較低的傳輸速率上有效運行。

例如，在300MHz上，假如發(fā)射器和接收器的晶體誤差（XTAL偏差）均為10ppm（百萬分之一），每個的誤差都為3kHz。對于有效傳送和接收應用，最小通道帶寬為誤差率的兩倍，或6kHz，這是窄帶應用的理想選擇。在2.4GHz上，相同情況需要48kHz的最小通道帶寬，浪費了用于窄帶應用的帶寬并需要大幅增加工作功率。

總之，運行在較高頻率下的所有無線電電路，包括低噪聲放大器、功率放大器、混合器和合成器，需要更多的電流來達到與低頻裝置相同的性能。

距離、低干擾和低功耗是sub-GHz應用超越2.4GHz應用的基本優(yōu)勢。經(jīng)常講述的缺點之一就是天線尺寸比在2.4GHz網(wǎng)絡中使用的要大。對于433MHz應用，最佳的天線尺寸，例如，會高達七英寸。然而，天線尺寸和頻率是成反比的。假如節(jié)點尺寸是一個重要設計要素，開發(fā)人員可以提高頻率（高達950MHz），以便采用更小的天線。

無線傳感器的總體功耗不僅是物理層項的函數(shù)，比如無線電架構(gòu)、載波頻率和天線選擇，而且也是無線電需要運行的時間量的函數(shù)，以便通過空氣傳送有效載荷數(shù)據(jù)。這取決于建立和保持通信鏈接的數(shù)據(jù)速率要求和協(xié)議開銷。

數(shù)據(jù)速率是最重要的因素之一，規(guī)定了基于占空比的無線鏈接的功耗。平均功率幾乎與鏈接數(shù)據(jù)速率成反比。對于相同的有效載荷，100kbps無線電幾乎消耗50kbps無線電的一半功率。對于給定的有效載荷，較高的數(shù)據(jù)速率可視為改進能源效率的方法。在比較RF收發(fā)器時，比特能耗是一個比電流消耗更好的指標。但高數(shù)據(jù)速率無線電通常帶有較高的峰值電流。這些是非常不受歡迎的，對于大多數(shù)小型電池或能量采集器來說，因為它們產(chǎn)生了大的泄漏存儲電容，一般為數(shù)百μF。

在網(wǎng)絡層上，協(xié)議對平均功率預算有著重大影響。今天的標準，比如802.15.4（ZigBee）或Bluetooth，提供了高度復雜的鏈接和網(wǎng)絡層。但這些堆?？偣伯a(chǎn)生了50%~75%的無線電功耗和較大的開銷。對于超低功率系統(tǒng)，“一體通用”的標準化選項通常不是最佳解決方案。相反，超低功率應用應該考慮使用優(yōu)化的協(xié)議來滿足它們的需求。

網(wǎng)絡的延時要求也具有重大影響。用于監(jiān)聽或探測的時間節(jié)點數(shù)量是延遲的函數(shù)。低延遲意味著可連續(xù)或頻繁地進行探測。在高負荷系統(tǒng)中，由于探測，接收器功率是功率預算的最大部分。例如，在802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，大約9%的系統(tǒng)功率用于接收。在更高載荷系統(tǒng)中，探測消耗的能耗可能不是主要的，但接收功率仍將超過RF預算的50%。對于實現(xiàn)超低功率RF遙測，最低的接收器功耗常常是必要的。

圖2 比特能耗與峰值功率的比較

圖3 某些可用的無線電收發(fā)器解決方案的工作電壓、TX和RX功率

圖4 使用ZL70251收發(fā)器的無線傳感器的平均功率和有效載荷數(shù)據(jù)速率的比較

美高森美的低功率無線電技術(shù)

美高森美是能提供多種解決方案的領導廠商，這些方案包括超低功耗無線電和電源管理。ZL70251是美高森美的完全集成的超低功率sub-GHz ISM頻帶收發(fā)器，專門用于功率至關(guān)重要的應用中。盡管它的功率非常低，但ZL70251仍然具有足夠的數(shù)據(jù)速率來支持語音或聲音通信。采用超過186kbps的數(shù)據(jù)速率，它具有足夠的帶寬來傳送連續(xù)的生物信號，比如ECG、電話品質(zhì)語音鏈接或更高品質(zhì)的聲音和某些ULP信號處理?？傮w功耗大約為4mW~5mW，足夠適合耳朵的足夠小的耳機工作超過10小時，并且使用薄膜電池的無線聽診器貼片可連續(xù)監(jiān)測慢性呼吸道疾病或支持睡眠呼吸暫停的研究。

在超低功率RF技術(shù)是關(guān)鍵的應用中，其中功率是非常重要的且有效載荷大于10bits/sec。先前的可穿戴式無線傳感器僅能用于緩慢變化的參數(shù)，而新的RF技術(shù)可以幫助觀察變化更快的生理參數(shù)，比如心臟和腦電活動或血氧水平，它們要求大約0.5kbps至5kbps等級速率來提取有意義的波形。基于ZL70251的無線身體傳感器消耗的電流平均小于100μA，使得薄膜電池乃至熱電能量采集器成為可行的電源選項。

ZL70251采用CSP封裝（大約2mm×3mm），也可以提供QFN封裝以方便組裝，同時將器件的外形尺寸保持在最小。ZL70251具有標準2線和SPI接口，用于任何標準微控制器的控制和數(shù)據(jù)傳送。這為客戶提供了挑選適合特定應用的微控制器的選擇。

用作傳感器的ZL70251的典型使用如圖5所示

圖5 基于ZL70251的典型無線傳感器結(jié)構(gòu)圖

微控制器通常與ZL70251和專用傳感器或輸出設備相連接。例如，對于Lead-1 ECG，ULP模擬前端，輸出連接至運行應用和通訊協(xié)議的微控制器的ADC，其結(jié)果是形成了具有極低功率的無線ECG解決方案，因而它可以在CR系列鈕扣電池下連續(xù)運行大約一個星期。某些其它類似超低功率參考設計也獲得了成功，包括3軸加速度計和脈搏-血氧計。

ZL70251具有行業(yè)最低的峰值電流之一，因而成為能源采集應用的理想選擇，并且涵蓋了包括中國779MHz ISM頻帶的ISM頻帶。業(yè)界成功開發(fā)了使用熱電 轉(zhuǎn)換器（TEG）的可測量身體溫度的無線可穿戴式傳感器原型。圖6顯示了此類傳感器的結(jié)構(gòu)，永遠不需要更換電池。

圖 6 由能量采集器供電的無線傳感器結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

Sub-GHz ISM頻帶超低功率頻帶收發(fā)器，比如ZL70251，在市場空間中定位于能滿足嚴苛需求的應用，比如由能量采集器供電的無線傳感器、針對可穿戴式無線醫(yī)療設備的生物信號（bio-signal）連續(xù)監(jiān)測、以及短程機器對機器應用中的感測應用，這些應用包括使用尖端的超低功率技術(shù)的WPAN和WBAN網(wǎng)絡應用區(qū)域。

編輯：jq